Komunikace mezi mozky je tady. Jak jsme to dokázali?

Možná si pamatujete neurovědce Miguela Nicolelise – postavil exoskeleton řízený mozkem, díky kterému paraplegik dokázal vykopnou první míč mistrovství světa ve fotbale v roce 2014. Na čem teď pracuje? Hledá způsoby, jakými mohou dvě mysli (zatím potkaní a opičí) posílat zprávy jedna druhé. Sledujte až do konce a uvidíte pokus, který – jak jeho autor říká – posune hranice vaší představivosti.

12. června 2014, přesně v 3.33

za zimního odpoledne
v brazilském São Paulu,

během typického jihoamerického
zimního odpoledne,

tento mladý muž,
který se tu raduje,

jako kdyby dal gól,

devětadvacetiletý Juliano Pinto,
dokázal fantastickou věc.

Přesto, že je ochrnutý

a nemá žádný cit od poloviny hrudi
po špičky prstů na nohou,

kvůli autonehodě, při níž
zemřel jeho bratr,

a jemu způsobila celkové přerušení míchy
a upoutala ho tak na vozík,

Juliano si během této příležitosti stoupl
a udělal toho dne něco, co skoro všichni

kolem něj během posledních šesti let
považovali za nemožné.

Juliano Pinto provedl slavnostní výkop

během mistrovství světa ve fotbale
roku 2014

pouze silou myšlenek.

Nemohl pohnout svým tělem,

ale dokázal si představit pohyby
potřebné pro vykopnutí.

Před úrazem byl atlet.
Nyní je para-atlet.

Doufám, že se za pár let
zúčastní paralympiády.

Přerušení míchy
pro Juliana neznamenalo

konec schopnosti snít.

Toho odpoledne předvedl svůj sen
na stadionu před 75 000 diváky

a další miliardou diváků
u televizních obrazovek.

Tento výkop korunoval
třicet let základního výzkumu

funkcí mozku,

toho úžasného vesmíru,
který si máme mezi ušima

a který se dá přirovanat jen k vesmíru
nad našimi hlavami,

protože je složen asi
ze 100 miliard prvků,

které si spolu povídají
pomocí elektrických impulsů.

Julianova akce vyžadovala
30 let představ v laboratořích

a patnáct let plánování.

Když jsme s Johnem Chapinem
před 15 lety napsali článek

o plánu vytvořit rozhraní
mezi mozkem a strojem,

takže by se mozek mohl
napojit na zařízení,

aby jím mohla zvířata i lidé pohybovat,

bez ohledu na vzdálenost mezi nimi,

pouze tím, že si představí
potřebnou akci,

kolegové nám řekli,
že potřebujeme profesionální pomoc

psychiatrického rázu.

Navzdory tomu jeden Skot
a jeden Brazilec vytrvali,

protože už jsme tak
z domova vychovaní,

a celých 12 nebo 15 let

jsme ukazovali pokus za pokusem,
a tvrdili, že je to možné.

Rozhraní mezi mozkem a strojem
není žádná velká věda,

stačí vám výzkum mozku.

Stačí použít senzory,

aby četly elektrické proudy,
které mozek vytváří

při zadávání motorických příkazů,

které se pak předávají dále do míchy.

Navrhli jsme sensory,
které dokáží číst

stovky a už i tisíce mozkových buněk
současně

a odvozují z elektrických signálů

motorické pokyny,
které náš mozek vydává,

abychom se mohli pohybovat v prostoru.

Přečtené signály jsme převedli
do podoby digitálních příkazů,

kterým může rozumět libovolné mechanické,
elektronické nebo virtuální zařízení.

Člověk si pak představí,
čím chce pohnout

a ono zařízení poslechne jeho příkaz.

Tato zařízení jsou vybavena různými čidly,

jak za chvilku uvidíte,

abychom mohli poslat zprávu
zpět do mozku pro potvrzení,

že vědomý motorický příkaz
byl proveden – kdekoli

na místě, ve vedlejší místnosti,
na druhé straně planety.

Jakmile tato zpětná vazba
dorazila do mozku,

mozek splnil svůj cíl:
způsobit pohyb.

Toto je jeden z experimentů
publikovaný před několika lety,

ve kterém se opice, aniž by se pohnula,

naučila řídit pohyby virtuální ruky,

ruky, která fyzicky neexistuje.

Teď slyšíte zvuky mozku
této opice,

který zkoumá tři rozdílné
vzhledově identické koule

ve virtuálním prostoru.

Aby dostalo odměnu –
kapku pomerančového džusu, který miluje –

musí toto zvíře objevit
a vybrat jeden tento objekt

hmatem,

ne zrakem, ale dotykem,

protože pokaždé, když se virtuální ruka
dotkne jednoho z těch objektů,

je vyslán zpět do mozku zvířete
elektrický signál

popisující jemnou texturu
na povrchu objektu,

takže zvíře pozná,
který předmět uchopit,

a pokud to udělá, dostane odměnu,
aniž by pohnulo svalem.

Dokonalý Brazilský oběd:

nehnete ani prstem,
a dostanete pomerančový džus.

Když jsme tohle viděli,

vrátili jsme se zpět k nápadu,
který jsme publikovali před 15 lety.

Zopakovali jsme publikovaný experiment.

Vytáhli jsme studii ze šuplíku

a navrhli jsme, že by možná
ochrnutý člověk mohl

použít rozhraní mezi mozkem a strojem
k znovuzískání pohyblivosti.

Podobné zranění může utrpět

kdokoli z nás.

Věřte mi, je to věc okamžiku.

Jedna milisekunda srážky

při dopravní nehodě,
kompletně změní váš život.

Pokud dojde k celkovému
přerušení míchy,

nemůžete se hýbat, protože signály z mozku
se nedostanou k vašim svalům.

NIcméně, ty signály bude váš mozek
vytvářet i nadále.

Praplegickým i kvadruplegickým pacientům
se každou noc zdá o tom, že se pohybují.

V jejich hlavách je to v pořádku.

Jde o to dostat ten kód ven

a znovu vytvořit pohyb.

Navrhli jsme tedy:
vytvořme nové tělo.

Vytvořme robotickou vestu.

Právě díky ní mohl Juliano
vykopnout ten míč jen pomocí myšlenek,

protože měl na sobě první,
mozkem ovládanou, robotickou vestu,

kterou mohou paraplegičtí pacienti
používat k pohybu

a k obnovení zpětné vazby.

Tento nápad je 15 let starý,

Chci vám ukázat,
jak 156 lidí z 25 zemí

ze všech pěti kontinentů
naší nádherné Země

odložilo své životy,
své výzkumy,

opustilo psy, ženy,
děti, školy, zaměstnání,

aby se sešli v Brazílii
a během 18 měsíců to dokázali zrealizovat.

Před pár lety, poté co Brazílie získala
privilegium pořádat Mistrovství světa,

jsme se dozvěděli, že Brazilská vláda
hledá něco smysluplného

pro zahajovací ceremoniál,

v zemi, která znovu objevila
fotbal a zdokonalila ho

na téměř německou úroveň.

(smích)

Ale to je jiný příběh,

a o tom by měli mluvit jiní neurovědci.

Brazílie se chtěla představit

jako zcela jiná země,

země, která si váží
vědy a technologie,

a která dokáže dát dárek
25 milionům lidí po celém světě,

kteří se nemohou hýbat
kvůli poranění míchy.

Oslovili jsme brazilskou vládu
a FIFA a navrhli jsme,

aby výkop Mistrovství světa v roce 2014

provedl brazilský paraplegik

pomocí exoskeletonu ovládaného mozkem,
který mu umožní kopnout do míče

a pocítit kontakt s míčem.

Dívali se na nás jako na blázny,

ale řekli: "Dobře, zkusme to."

Měli jsme 18 měsíců na zvládnutí všeho,
od začátku, od nuly.

Neměli jsme exoskeleton,
neměli jsme pacienty,

nic nebylo připraveno.

Dali jsme se dohromady.

Za 18 měsíců jsme rutinně
trénovali 8 pacientů.

V podstatě z ničeho
jsme sestrojili chlapíka,

kterému říkáme Bra-Santos Dumont 1.

První umělý mozkem ovládaný
exoskeleton

jsme pojemnovali po nejslavnějším
brazilském vědci,

Albertu Santos Dumontovi,

který 19. října 1901
sám sestrojil a pilotoval

první člověkem řízený letoun,
představený v Paříži před milionem lidí.

Omlouvám se svým americkým přátelům.

Bydlím v Severní Karolíně,

ale toto bylo dva roky před tím,
než se podobná věc povedla

bratrům Wrightovým
na pobřeží Severní Karolíny.

(potlesk)

Řízený let je brazilský.
(smích)

Dali jsme tedy dohromady tým.

Námi vytvořený exoskeleton
má 15 stupnů volnosti.

Je hydraulický

a ovládají ho signály z mozku,

snímané neinvazivně pomocí EEG
(elektroencefalografie).

Stačí, aby si pacient představil pohyb,

a pokyn je předán řídící jednotce,
pak motorům,

a pak je pohyb proveden.

Exoskeleton je pokryt umělou kůží,

kterou v Mnichově vynalezl
můj skvělý přítel Gordon Cheng.

Ta umožňuje, aby vjemy z pohybu kloubů
a z dotyku nohy se zemí

mohly přes vestu
putovat zpět k pacientovi.

Tento oblek je pokryt mikrosnímači,

které vytvářejí zpětnou vazbu
a ošálí tak pacientův mozek,

protože vzbudí pocit,
že ho nenese stroj,

ale že on sám znovu chodí.

Podařilo se nám to.
Teď uvidíte,

jak jeden z našich pacientů,
Bruno, vskutku chodí.

Několik vteřin trvá,
než všechno nastavíme.

Pak uvidíte modré světlo
vepředu na helmě,

když si Bruno představuje pohyb,
který má být proveden.

Počítač to zanalyzuje,
Bruno to potvrdí,

a když je vše potvrzené,

zařízení se začne pohybovat
podle pokynů Brunova mozku.

Právě se to povedlo
a teď začíná chůze.

Po devíti letech bez možnosti se pohnout

sám chodí.

A co víc –

(potlesk) –

víc, než že jen chodí,

on cítí dotyk země.

Když se rychlost exoskeletonu zvýší,

řekne nám, že se znovu prochází
po pláži v Santos,

kam chodíval,
než se mu stala nehoda.

Proto je důležitá i zpětná vazba z pohybu.

Takhle šel, a na konci procházky

nám řek: "Lidičky,

tuhle věc potřebuju půjčit na svatbu,

abych mohl sám dojít ke knězi,

vidět svoji nevěstu a být tam osobně."

Pochopitelně mu to půjčíme,
kdykoli bude chtít.

Chtěli jsme tohle promítat
během mistrovství světa,

ale z neznámých důvodů
z toho na straně FIFA sešlo.

Uvidíte Juliana v exoskeletonu,
jak kope do míče,

chvíli před tím, než jsme šli na hřiště

a provedli vše naostro před celým publikem.

Uvidíte ta světýlka,
která znázorňují průběh akce.

Puzlující modrá světla znamenají,
že exoskeleton je připraven vyrazit.

Dokáže přijímat myšlenky
a vracet zpětnou vazbu.

Jakmile se Juliano rozhodne
vykopnout míč,

uvidíte dva proudy
zelených a žlutých světel,

vycházejících z helmy
a směřujících do nohou.

Představují mentální pokyny
přijaté exoskeletonem,

který je provede.

Juliano vše provedl

během 13 vteřin.

Vidíte ty pokyny.

Připravuje se. Míč je položen.
Vykopává.

Nejúžasnější na tom je,

že deset vteřin poté
se na nás podíval

a nadšeně prohlásil:

"Já jsem ten míč cítil."

To je k nezaplacení.

(potlesk)

Kam tohle tedy směřuje?

Mám dvě minuty, abych vám řekl,

že míříme na
hranice představitelnosti.

Technologie, ovlivňující
mozek, je tu.

Poslední je toto: před rokem
jsme publikovali zprávu

o prvním rozhraní mezi dvěma mozky,

díky kterému si dvě zvířata
vyměňují mentální zprávy,

takže když jedno zvíře vidí
něco ve svém prostředí,

může vyslat mentální SMS,
neurofyziologické torpédo

druhému zvířeti,

a to druhé pak provede akci,
kterou je třeba provést,

aniž by vědělo, co se stalo
v onom prostředí,

protože ta zpráva přišla
z mozku prvního zvířete.

Takže první ukázka.

Zkusíme to rychle,
nejlepší přijde nakonec.

Tady vidíte, jak první potkan
dostává informaci.

Na levé straně klece
se rozsvítí světýlko.

To znamená, že má zatlačit vlevo,
aby dostal odměnu.

Jde, a udělá to.

V téže chvíli
odeslílá mentální zprávu

druhému potkanovi,
který žádné světýlko neviděl.

Druhý potkan
v 70 procentech případů

zmáčkne levou páčku
a dostane odměnu,

aniž by kdy na jeho sítnici
dopadlo světlo.

To jsme pozvedli
na ještě vyšší úroveň,

když jsme propojili opice,
aby spolupracovaly v mozkové síti.

V podstatě darují svou mozkovou kapacitu

a spojí se, aby společně ovládaly
virtuální paži, kterou jsem vám ukazoval.

Tady vidíte první případ,
kdy opice zkombinují své mozky,

dokonale je synchronizují
a dokáží tak pohnout virtuální paží.

Jedna opice má na starosti osu x

ta druhá řídí pohyb na ose y.

Ještě zajímavější to je,
když přidáte třetí opici.

Jedné pak dáte řídit x a y,

ta druhá řídí y a z

a ta třetí zase x a z.

Když jim dáte za úkol
hrát tu hru společně,

tedy trefovat se ve 3D do cíle,
abyste dostali pomerančový džus,

skutečně to dokážou.

Černý bod je průměr příkazů
které dávají všechny mozky dohromady,

paralelně, v reálném čase.

Tohle je definice
biologického počítače:

spolupráce mozkových aktivit
za dosažením motorického cíle.

Kam se s tímhle dostaneme?

Nemáme tušení.

Jsme jen vědci.

(smích)

Platí nás za to,
abychom byli dětmi.

Vlastně bychom došli na hranice
a objevili, co je za nimi.

Jednu věc vím jistě.

Jednoho dne, za pár desetiletí,

až budou naši vnuci brouzdat po internetu
jen pomocí myšlenek,

nebo bude maminka moci darovat
svůj zrak autistickému nevidomému dítěti,

nebo někdo bude moci mluvit
díky přemostění mezi dvěma mozky,

nekteří z vás si vzpomenou,
že to začalo jednoho zimního odpoledne

na brazilském fotbalovém hřišti
jedním neskutečným výkopem.

Děkuju vám.

(potlesk)

Děkuju.

Bruno Giussani: Migueli, díky,
že jste dodržel časový limit.

Já bych vám rád dal ještě pár minut,

protože některé věci bychom měli rozvinout

a určitě musíme dát hlavy dohromady,
abychom vymysleli, kam spějeme.

Pojďme to tedy propojit.

Jestli tomu dobře rozumím,

jedna z opic přijímá signál,

a ta druhá na něj reaguje,

jenom proto že ta první ho přijímá
a přenáší nerovoý impuls.

Michuel Nicolelis:
Ne, je to trochu jinak.

Žádná z těch opic neví o existenci
těch druhých dvou.

Zrakovou zpětnou vazbu dostávají
ve dvou rozměrech,

ale jejich úkol je nutno splnit ve 3D.

Musí pohybovat tou paží
ve třech rozměrech.

Každá z opic dostává
dvě dimenze na obrazovce,

a ty také řídí.

Aby to bylo možné provést,

potřebujete, aby nejméně dvě opice
synchronizovaly své mozky.

Ideálně tři.

Zjistili jsme, že když jedna opice
začne polevovat,

ty dvě druhé zvýší výkon,

aby se "paže" vrátila zpátky.

Je tu tedy dynamické vyrovnávání,

ale celková souhra zůstávás stejná.

Když bez upozornění prohodíte

dimenze, které každý mozek řídí,

jako že ten, co řídil x a y

bude teď řídit y a z,

zvířecí mozek v okamžiku
zapomene na staré dimenze

a začne se soustředit
na ty nové.

Mysím tedy říci,
že žádný Turingův stroj,

žádný počítač nedokáže předpovědět,
co udělá mozková síť.

Vstřebáme technologii
jako součást nás samých.

Nikdy se nestane, že by technologie
pohltila nás.

To je prostě nemožné.

BG: Kolikrát už jste to otestovali?

A kolikrát jste uspěli,
kolikrát ne?

MN: Desítky testů.

A se třemi opicemi?
Několikrát.

Nemohl bych o tom tady mluvit,
kdybych si to párkrát nevyzkoušel.

Zapomněl jsem zmínit,

že před třemi týdny
jedna evropská skupina

předvedla první propojení
člověk-člověk, mozek-mozek.

BG: A jak tohle funguje?

MN: Šlo o kousek informace –
velké věci vždycky začínají skromně –

ale v zásadě mozková aktivita
jednoho subjektu

byla předána druhému subjektu,
všechno neinvazivně.

První subjekt dostal informaci,
jako potkani, vizuální informaci,

a vyslal ji tomu druhému.

Druhý subjekt přijal
magnetickou vibraci ve vizuální kůře.

Pak jinou vibraci,
byly dvě různé.

Při jedné viděl subjekt něco.

Při té druhé něco jiného.

A byl schopen slovně pojmenovat,

jakou zprávu mu první subjekt vyslal

po internetu, mezi kontinenty.

Moderátor: Páni.
Tak už vím, kam směřujeme.

Z toho bude vystoupení
hned na příštím TEDu.

Migueli Nicolelisi, děkuji vám.
MN: Děkuju Bruno. Děkuju.