Miguel Nicolelis: O maimuță care controlează cu mintea un robot. Serios.

Ne putem folosi creierul pentru a controla direct mașinăriile, fără a avea nevoie de un corp intermediar? Miguel Nicolelis povestește un experiment extraordinar în care o maimuță deșteaptă din Statele Unite învață să controleze un avatar și apoi un robot din Japonia, doar cu ajutorul gândurilor sale. Această cercetare are implicații profunde pentru persoanele ce suferă de tetraplegie și, probabil, pentru noi toți. (Filmat la TEDMED 2012.)

Neuroştiinţa pe care o practicăm, eu şi colegii mei,

seamănă mult cu vânătoarea de furtuni.

Pentru că mereu urmărim nişte furtuni.

Vrem să vedem şi să măsurăm furtunile
– furtunile din creier (brainstorm), vreau să spun.

Dar deşi toţi vorbim despre brainstorming
în viaţa noastră de zi cu zi,

rareori avem ocazia să îl vedem sau ascultăm.

Întotdeauna îmi place să încep aceste discursuri

chiar arătându-vă una.

De fapt, prima dată când am înregistrat
mai mult de un neuron –

o sută de celule ale creierului, simultan –

când am măsurat scânteile electrice

a o sută de celule ale aceluiaşi animal,

asta a fost prima imagine pe care am obţinut-o,

primele 10 secunde ale acestei înregistrări.

Astfel, am obţinut un mic fragment de gând,

pe care l-am văzut chiar în faţa ochilor noştri.

Întotdeauna le spun studenţilor

că putem asemăna cercetătorii în neuroștiință
cu un fel de astronomi,

deoarece avem de-a face cu un sistem

care se poate compara ca număr de celule

numai cu numărul de galaxii din univers.

Şi iată cum, din miliarde de neuroni,

am înregistrat, acum 10 ani, doar o sută.

Înregistrăm o mie acum.

Şi sperăm să înţelegem ceva fundamental
despre natura noastră umană.

Pentru că, dacă încă nu ştiţi,

toate instrumentele de definire a naturii omului
vin de la aceste furtuni,

de la aceste furtuni care străbat
dealurile şi văile creierului nostru

şi definesc amintirile, credinţele,

sentimentele noastre, planurile noastre de viitor.

Tot ce facem,

ce am făcut sau vom face vreodată,
fiecare dintre noi,

necesită truda unor neuroni
care produc aceste furtuni.

Iar sunetul unei furtuni neuronale,
dacă n-aţi auzit niciodată una,

e ceva de genul acesta.

Se poate da mai tare.

Fiul meu îi spune „a face floricele în timp ce asculţi
un post de radio A.M. prost reglat.”

Acesta este un creier.

Asta se întâmplă când aceste furtuni electrice
sunt amplificate printr-un difuzor

şi asculţi o sută de neuroni în acţiune.

Creierul va suna aşa – creierul meu, orice creier.

Noi, neurologii, ca oameni de știință,
vrem în acest moment

să ascultăm, de fapt, aceste simfonii ale creierului

şi să încercăm să extragem din ele
mesajele pe care le transmit.

În particular, acum vreo 12 ani

am creat ceva pe care l-am numit
interfeţele creier-maşină.

Iată o schemă care-i descrie modul de funcţionare.

Ideea era să punem nişte senzori care să înregistreze
aceste furtuni, aceste impulsuri electrice,

şi să vedem dacă putem, în timpul necesar

pentru ca furtuna să iasă din creier şi să ajungă
în picioarele sau în braţele unui animal –

aproximativ jumătate de secundă –

să vedem dacă putem citi aceste semnale,

să extragem mesajele motrice
care sunt încorporate în ele,

să le transpunem în comenzi digitale

şi să le transmitem unui dispozitiv artificial

care va reproduce ciclul motor voluntar
al creierului în timp real.

Şi să vedem dacă putem măsura
cât de bine putem traduce acel mesaj

comparativ cu felul în care o face organismul.

Şi dacă putem oferi şi feedback,

semnale senzoriale care pleacă din acest
dispozitiv robotizat, mecanic, computaţional

care se află acum sub controlul creierului,

înapoi la creier,

cum tratează creierul acest feedback

şi anume primirea de mesaje
de la o maşinărie artificială.

Şi exact asta am făcut acum 10 ani.

Am început cu o maimuţică superstar numită Aurora

care a devenit unul dintre superstarurile
din acest domeniu.

Aurorei i-a plăcut să joace jocuri video.

Cum se poate vedea aici,

îi place să folosească un joystick, ca oricăruia
dintre noi, dintre copiii noştri, pentru a juca acest joc.

Ca o primată bună ce este, chiar încearcă să trişeze
înainte de a ajunge la răspunsul corect.

Înainte să apară ţinta pe care ar trebui să o marcheze

cu ajutorul cursorului pe care îl controlează
cu acest joystick,

Aurora încearcă să găsească ţinta, indiferent unde este.

Şi dacă reuşeşte,

pentru că de fiecare dată când marchează
ţinta cu micuţul cursor,

primeşte un strop de suc de portocale braziliene.

Şi vă pot spune, orice maimuţă va face orice

pentru un strop de suc de portocale braziliene.

De fapt, orice primată va face orice pentru asta.

Gândiţi-vă la asta.

Ei bine, în timp ce Aurora juca acest joc,
aşa cum aţi văzut,

şi în timp ce făcea o mie de încercări pe zi,

reuşind să răspundă corect la 97 la sută din ele
şi primind 350 de mililitri de suc de portocale,

noi înregistram furtunile creierului produse în capul ei

şi le trimiteam la un braţ robotic

care învăţa să reproducă mişcările pe care le făcea Aurora.

Pentru că ideea era să pornim de fapt
această interfaţă creier-maşină

şi să îi permitem Aurorei să se joace doar mental,

fără a interveni fizic.

Furtunile din creierul ei ar controla un braţ

care ar muta cursorul şi ar marca ţinta.

Şi, spre mirarea noastră, Aurora chiar a făcut asta.

A jucat jocul fără să-şi miște corpul.

Deci, fiecare traiectorie a cursorului
pe care o vedeţi acum

este exact primul moment în care a făcut acest lucru.

Acesta este exact primul moment

în care o intenţie a creierului a fost eliberată
de constrângerile fizice ale unui corp de primată

şi a putut acţiona în afara corpului,
în acea lume exterioară,

doar prin controlul unui dispozitiv artificial.

Şi Aurora a continuat să joace jocul,
să găsească micuţa ţintă

şi să primească sucul de portocale
pe care şi-l dorea atât de mult.

Ei bine, a reuşit asta pentru că, la momentul respectiv,
a primit un nou braţ.

Brațul robotic pe care îl vedeţi aici mişcându-se,

după 30 de zile de la prima înregistrare
pe care v-am arătat-o,

e controlat de creierul Aurorei

şi mută cursorul pentru a ajunge la ţintă.

Iar Aurora ştie acum că poate juca jocul
cu acest braț robotic,

dar nu şi-a pierdut capacitatea de a-şi folosi
braţele biologice pentru a face ce îi place.

Se poate scărpina pe spate, poate să ne scarpine pe noi,
poate să se joace alt joc.

În toate privinţele,

creierul Aurorei a integrat acel dispozitiv artifcial

ca pe o extensie a corpului ei.

Modelul de sine pe care Aurora îl avea în minte

a fost extins cu un braţ suplimentar.

Ei bine, am făcut asta acum 10 ani.

Trecem repede peste cei 10 ani.

Anul trecut ne-am dat seama că nici măcar
nu e nevoie de un dispozitiv robotizat.

Putem construi doar un corp computaţional,
un avatar, un avatar maimuţă.

Şi acesta poate fi folosit pentru ca maimuţicile noastre
să interacţioneze cu el

sau putem să le învăţăm să îşi asume,
într-o lume virtuală,

perspectiva la persoana întâi a acelui avatar

şi să-şi folosească activitatea creierului pentru a controla
mişcările braţelor sau picioarelor avatarului.

Ce am făcut, mai exact, a fost să antrenăm animalele

să înveţe cum să controleze aceste avataruri

şi să exploreze obiecte care apar în lumea virtuală.

Iar aceste obiecte sunt identice vizual,

dar când avatarul intersectează
suprafaţa acestor obiecte,

acestea trimit un semnal electric
proporţional cu textura microtactilă a obiectului

care merge înapoi direct la creierul maimuţei,

informând creierul ce anume atinge avatarul.

Şi în doar patru săptămâni, creierul învaţă
să proceseze această senzaţie nouă

şi dobândeşte o nouă cale senzorială – ca un nou simţ.

Acum putem elibera cu adevărat creierul

deoarece i se permite să trimită comenzi motorii
pentru mişcarea acestui avatar.

Iar feedback-ul care vine de la avatar
este procesat direct de creier,

fără intervenţia pielii.

Deci, vedeţi aici proiectarea sarcinii.

Veţi vedea un animal care practic atinge aceste trei ţinte.

El trebuie să selecteze una dintre ele,
una singură este asociată cu recompensa,

sucul de portocale dorit.

Trebuie să selecteze ţinta atingând-o
cu un braţ virtual, un braţ care nu există.

Iar animalul face exact asta.

Este o eliberare completă a creierului

de constrângerile fizice ale corpului şi ale motricităţii
într-o sarcină perceptivă.

Animalul controlează avatarul pentru a atinge ţintele.

Şi simte textura primind un mesaj electric direct în creier.

Iar creierul decide care este textura
asociată cu recompensa.

Legendele pe care le vedeţi pe film
nu apar şi pentru maimuţă.

Şi, oricum, maimuţele nu ştiu să citească în engleză,

aşa că le-am inclus doar ca să vedeţi
că ţinta corectă îşi schimbă poziţia.

Cu toate acestea, maimuţele o identifică
prin discriminare tactilă

şi o pot selecta prin apăsare.

Prin urmare, atunci când analizăm
creierul acestor animale,

pe panoul de sus vedem alinierea celor 125 de celule

care arată ce se întâmplă în creier, furtunile electrice,

din această zonă din creier,

când animalul folosește un joystick.

Iar asta-i o imagine pe care orice neurofiziolog o știe.

Alinierea de bază arată că aceste celule
codifică toate direcţiile posibile.

Imaginea de jos arată ce se întâmplă
când corpul se opreşte din mișcare,

iar animalul începe să controleze fie un dispozitiv robotizat,
fie un avatar computaţional.

La fel de repede cum ne resetăm calculatoarele,

activitatea creierului se schimbă pentru a începe
să reprezinte acest instrument nou,

ca și cum și acesta ar fi o parte a corpului primatei.

Creierul asimilează și acest lucru,
pe atât de rapid pe cât putem măsura.

Asta ne sugerează că sentimentul
conștiinței de sine

nu se oprește la ultimul strat de epiteliu al corpului,

ci la ultimul strat de electroni ai instrumentelor
pe care le controlăm cu creierul.

Viorile, mașinile, bicicletele noastre,
mingile noastre de fotbal, hainele noastre.

toate acestea sunt asimilate de acest sistem
vorace, uimitor, dinamic, numit creier.

Cât de departe putem merge?

Ei bine, într-un experiment pe care l-am făcut
acum câţiva ani, am mers până la limită.

Aveam un animal ce alerga
pe o bandă de alergare

la Universitatea Duke, de pe Coasta de Est a Statelor Unite,

producând furtuna din creier
necesară pentru a se mișca.

Şi aveam un dispozitiv robotizat, un robot umanoid,

la Kyoto, Japonia, în Laboratoarele ATR,

care a visat întreaga sa viaţă să fie controlat de un creier,

un creier uman sau un creier de primată.

Aici activitatea cerebrală
care a generat mişcările maimuţei

a fost transmisă în Japonia
şi a făcut acest robot să meargă,

în timp ce imagini cu mersul acestuia
au fost trimise înapoi la Duke,

astfel încât maimuţa să poată vedea
picioarele acestui robot mergând în faţa ei,

iar ea să fie recompensată nu pentru ceea ce face corpul ei,

ci pentru fiecare pas corect al robotului
de pe cealaltă parte a planetei,

controlat de activitatea creierului ei.

Un lucru amuzant este că această plimbare în jurul globului
a durat cu 20 de milisecunde mai puţin

decât e nevoie pentru ca furtuna din creier
să plece din cap, capul maimuţei,

şi să ajungă la propriii săi mușchi.

Maimuţa mișca un robot de şase ori mai mare decât ea,
aflat pe cealaltă parte a planetei.

Acesta este unul dintre experimentele în care acel robot
s-a putut deplasa în mod autonom.

Acesta este CB1 din Japonia, al cărui vis se materializează

sub controlul activităţii cerebrale a unei primate.

Prin urmare, încotro ne îndreptăm?

Ce facem cu toată această cercetare

în afară de a studia proprietăţile acestui univers dinamic
pe care îl avem între urechile noastre?

Ideea este să folosim toate aceste cunoștințe și tehnologii

şi să încercăm să rezolvăm una dintre cele mai severe
probleme neurologice pe care le avem în lume.

Milioane de oameni şi-au pierdut capacitatea
de a transpune aceste furtuni din creier

în acţiune, în mişcare.

Deși creierul lor continuă să producă aceste furtuni
şi să codifice pentru mişcări,

ei nu pot depăși o barieră creată
de o leziune a măduvei spinării.

Prin urmare, ideea noastră e de a crea un by-pass,

de a folosi aceste interfeţe creier-maşină
pentru a citi aceste semnale,

furtuni din creier la scară mai mare,
care conţin dorinţa redobândirii mișcării,

ocolind leziunea, folosind microingineria computaţională

şi trimițând-le către un nou corp, întreg,
numit un exoschelet,

un costum robotizat întreg, care va deveni
noul corp al acestor pacienţi.

Şi puteţi vedea o imagine produsă de acest consorțiu.

Acesta este un consorţiu nonprofit numit
Walk Again Project

și care reunește oameni de ştiinţă din Europa,

de aici, din Statele Unite, şi în Brazilia

pentru a lucra împreună pentru a construi, de fapt, acest corp nou,

un corp despre care credem că, prin
aceleași mecanisme din plastic

care îi permit Aurorei şi altor maimuţe să folosească
aceste instrumente printr-o interfaţă creier-mașină

şi care ne permite să încorporăm instrumentele
pe care le producem şi folosim în viaţa noastră de zi cu zi.

Exact acelaşi mecanism sperăm
că va permite acestor pacienţi

nu numai să-şi imagineze din nou
mişcările pe care doresc să le facă

şi să le transpună în mişcările acestui nou corp,

ci și ca acest corp să fie asimilat ca fiind
noul corp pe care creierul îl controlează.

Acum 10 ani, mi s-a spus

că acest lucru nu se va întâmpla niciodată,
că-i aproape imposibil.

Şi pot să vă spun că eu, ca om de ştiinţă,

am crescut în sudul Braziliei, la mijlocul anilor '60,

văzând câțiva nebuni care spuneau
că vor merge pe Lună.

Aveam cinci ani

şi nu înţelegeam de ce NASA nu îi angajează
pe Căpitanul Kirk și pe Spock pentru aceasta.

La urma urmei, erau chiar foarte buni.

Doar văzând acest lucru, copil fiind,

m-a făcut să cred, așa cum bunica mea obișnuia să-mi spună,

că „Imposibilul e doar posibilul

pentru care cineva nu a depus suficient efort
pentru a-l face să devină realitate.”

Mi-au spus că-i imposibil să faci pe cineva să meargă.

Cred că voi urma sfatul bunicii mele.

Vă mulţumesc.

(Aplauze)