Kommunikation mellan hjärnor är här. Så gjorde vi

Du kanske minns hjärnforskaren Miguel Nicolelis - han byggde det första hjärnkontrollerade exoskelettet som lät en förlamad man göra den första avsparken vid fotbolls-VM 2014. Vad jobbar han på nu? Skapar möjligheter för två hjärnor (råttor och apor så här långt) att skicka meddelanden mellan varandra. Titta ända till slutet för att se ett experiment som kommer ta dig, som han säger, "bortom din fantasis gränser".

Den 12:e juni 2014, exakt klockan 15:33,

under en mild vintereftermiddag
i São Paulo, Brazil,

det var en typisk sydamerikansk
eftermiddag på vintern,

gjorde den här unge mannen
som du ser fira här

som om han hade gjort mål,

som heter Juliano Pinto, och är 29 år,
en magnifik bedrift.

Fast han är förlamad

och inte har någon känsel
från bröstet ner till tåspetsarna

efter en bilolycka som hände
för sex år sen, som dödade hans bror

och orsakade en svår ryggmärgsskada
och gjorde Juliano rullstolsbunden,

växte Juliano med uppgiften
och gjorde något den här dagen

som nästan alla som sett honom
under de sex åren trodde var omöjligt.

Juliano Pinto gjorde avsparken

vid fotbolls-VM 2014 i Brasilien

bara genom att tänka.

Han kunde inte röra kroppen,

men han kunde tänka sig de rörelser
som behövdes för att sparka en boll.

Han var en idrottsman innan skadan.
Han är en handikappidrottare nu.

Jag hoppas att han kommer att vara med
i de Paralympiska spelen om några år.

Vad den brutna ryggraden
inte kunde ta ifrån Juliano

var hans förmåga att drömma.

Och som han drömde den eftermiddagen,

inför en stadion
med ungefär 75 000 människor

och en publik på nästan en miljard
som såg det på TV.

Och den sparken krönte
30 år av grundforskning

som studerat hjärnan,

hur detta underbara universum
som vi har mellan öronen fungerar,

som bara är jämförbart med det universum
som vi har ovanför huvudet,

för det har omkring 100 miljarder enheter

som pratar med varandra
genom elektriska urladdningar.

Det som Juliano åstadkom
tog 30 år att tänka ut i laboratorier

och ungefär 15 år att planera.

När John Chapin och jag för 15 år sen
skrev en vetenskaplig artikel och föreslog

att vi skulle bygga något vi kallade
ett hjärna-maskin-gränssnitt,

vilket betydde att vi skulle
koppla hjärnan till maskiner

så att djur och människor
kunde röra på dessa maskiner,

oavsett hur långt ifrån
deras kroppar de var,

bara genom att tänka på
vad de ville göra,

sa våra kollegor att vi behövde
professionell hjälp,

av det psykiatriska slaget.

Och trots det var det en skotte
och en brasilianare som höll ut,

för det var så vi var uppfostrade
i våra respektive länder,

och i 12, 15 år,

gjorde vi gång på gång demonstrationer
som visade att det här var möjligt.

Och ett hjärna-maskin-gränssnitt
är inte raketforskning,

det är bara hjärnforskning.

Det handlar bara om att använda sensorer

för att läsa de elektroniska urladdningar
som hjärnan producerar

för att skapa motorkommandon

som måste laddas ner i ryggmärgen,

så vi satte samman sensorer som kan läsa

hundratals och nu tusentals
av dessa hjärnceller samtidigt,

och som ifrån dessa elektriska signaler

kan utläsa den motoriska planeringen
som hjärnan skapar

för att faktiskt få oss
att röra oss i vår omgivning.

Och genom att göra det
konverterade vi dessa signaler

till digitala kommandon

som vilken mekanisk, elektronisk
eller virtuell maskin kan förstå

så att personen kan tänka sig
vad han, hon eller den vill röra på,

och maskinen lyder hjärnans order.

Genom att utrusta dessa maskiner
med olika typer av sensorer,

som ni strax kommer att få se,

skickade vi faktiskt meddelanden
tillbaka till hjärnan för att bekräfta

att den viljemässiga rörelsen utfördes,

oavsett var,

bredvid personen, i huset bredvid
eller på andra sidan jorden.

Och när det här meddelandet
gav återkoppling tillbaka till hjärnan

insåg hjärnan vilket mål den hade:
att få oss att röra oss.

Det här är bara ett av de experiment
som vi publicerade för ett par år sen,

där en apa, utan att röra kroppen

lärde sig att kontrollera
hur en avatars arm rörde sig,

en virtuell arm som inte existerade.

Vad ni hör just nu är ljudet
från den här apans hjärna

när den utforskar tre olika
visuellt identiska sfärer

i den virtuella rymden.

Och för att få en belöning,
en droppe apelsinjuice som apor älskar,

måste det här djuret upptäcka
och välja ett av objekten

genom att röra,

inte genom att se det, utan röra det,

för varje gång den här virtuella handen
rör något av föremålen

går en elektrisk puls
tillbaka till djurets hjärna

och beskriver strukturen
på ytan av föremålet,

så att djuret kan avgöra vilket föremål
som är det rätta att plocka upp,

och om han gör det får han en belöning
utan att ens röra en muskel.

Den perfekta brasilianska lunchen:

Att inte röra en muskel
och ändå få din apelsinjuice.

(Skratt)

När vi såg det här hända

kom vi fram till och föreslog idén
som vi hade publicerat för 15 år sen.

Vi genomförde resultatet av studien.

Vi tog fram den ur lådan

och vi föreslog att vi kanske
kunde få en förlamad människa

att använda hjärna-maskin-gränssnittet
för att få tillbaka sin rörlighet.

Tanken var att om man har utsatts...

och det kan hända vem som helst av oss.

Det går väldigt fort.

Krocken tar en millisekund,

en bilolycka som förändrar ens liv totalt.

Om man får ett brott på ryggmärgen

kan man inte röra sig, för signalerna
från hjärnan når inte musklerna.

Men signalerna fortsätter
att produceras i hjärnan.

Delvis eller helt förlamade patienter
drömmer om att de rör sig varje natt.

Det finns i deras huvuden.

Problemet är hur de ska
få ut signalerna från huvudet

så att rörelserna kan produceras igen.

Vad vi föreslog var att skapa en ny kropp.

Vi bygger en robotväst.

Och det är just därför som Juliano
kunde sparka bollen bara genom att tänka,

för att han hade på sig
den första hjärnkontrollerade robotvästen

som kan användas av patienter
som är helt eller delvis förlamade

för att röra sig och få signaler tillbaka.

Det var originaltanken, för 15 år sen.

Vad jag ska visa er är
hur 156 människor från 25 länder

i alla världsdelar på vår vackra jord,

släppte sina vanliga liv,
släppte sina patent,

släppte sina hundar, sina fruar,
barn, skolor, jobb,

och samlades i Brasilien
i 18 månader för att få det här gjort.

Ett par år efter att Brasilien
blev utsedda att arrangera VM

hörde vi att den brasilianska regeringen
ville göra något meningsfullt

under öppningsceremonin

i landet som tog fotbollen till en ny nivå
och utvecklade den till perfektion

tills vi mötte tyskarna, förstås.

(Skratt)

Men det är ett annat föredrag,

och en annan hjärnforskare
får berätta om det.

(Skratt)

Men vad Brasilien ville göra var att visa

ett helt annat land,

ett land som värderar
vetenskap och teknik,

och som kan ge en gåva till miljoner,
25 miljoner människor runtom i världen

som inte längre kan röra sig
på grund av ryggmärgsskador.

Vi kontaktade den brasilianska regeringen

och FIFA och föreslog
att avsparken för VM 2014 skulle göras

av en förlamad brasiliansk person

genom ett hjärnkontrollerat exoskelett
som låter honom sparka bollen

och känna kontakten med bollen.

De tittade på oss,
och trodde att vi var helt galna,

och sa, "Okej, vi försöker."

Vi hade 18 månader på oss
att göra allt från första början.

Vi hade inget exoskelett,
vi hade inga patienter,

vi hade inte gjort något.

Alla de här människorna samlades

och på 18 månader fick vi igång
åtta patienter i ett träningsprogram

och byggde den här killen från grunden,

vi kallar honom Bra-Santos Dumont 1.

Det första hjärnkontrollerade
exoskelettet som byggdes

fick sitt namn efter den mest kända
brasilianske forskaren någonsin,

Alberto Santos Dumont,

som den 19:e oktober 1901 i Paris
flög det första luftskeppet

som han själv skapat,
och sågs av en miljon människor.

Jag är ledsen, mina amerikanska vänner,

jag bor i North Carolina,

men det var två år innan
bröderna Wright flög

längs North Carolinas kust.

(Applåder)

Flygning är brasilianskt.

(Skratt)

Vi samarbetade alltså med den här gruppen

och vi satte samman
exoskelettet tillsammans,

15 frihetsgrader, en hydraulisk maskin,

som kan styras av signaler från hjärnan

som registreras av en icke-invasiv teknik
som kallas elektroencefalografi,

som låter patienten tänka sig rörelserna

och skicka sina kommandon
till kontrollerna, motorerna

och få dem att hända.

Vi täckte exoskelettet
med en konstgjord hud

som uppfunnits av Gordon Cheng,
en av mina bästa vänner, i München,

för att signaler om hur lederna rörde sig
och hur foten rörde marken

skulle kunna skickas till patienten
genom en väst, eller en slags skjorta.

Det är en smart skjorta med smådelar
som vibrerar på mikronivå

som skickar vidare feedback
och lurar patientens hjärna

genom att skapa en känsla av
att det inte är maskinen som bär honom

utan att det är han som går igen.

Vi satte igång det här, och det ni ser här
är första gången en av våra patienter,

Bruno, faktiskt går.

Han tar några sekunder på sig,
för vi sätter igång allting,

och ni kommer att se en blå lampa
framtill på hjälmen

för Bruno ska tänka på rörelsen
som behöver göras,

datorn kommer att analysera den,
Bruno kommer att godkänna den,

och när den är godkänd

börjar maskinen röra sig
som den blivit tillsagd av Brunos hjärna.

Och han fick precis till det
och nu börjar han gå.

Han har inte kunnat röra sig på nio år

men nu går han på egen hand.

Och dessutom...

(Applåder)

utöver att gå,

känner han av marken,

och ifall exot rör sig snabbare

säger han att han går på Santos strand,

strandorten dit han brukade åka
innan han råkade ut för olyckan.

Det är därför hjärnan skapar
en ny känsla i Brunos huvud.

Så han går, och i slutet av gångturen -
jag börjar få slut på tid redan -

säger han, "Vet ni killar,

jag skulle behöva låna den här
av er när jag ska gifta mig,

för jag skulle vilja gå fram till prästen

och se min brud
och faktiskt göra det själv.

Självklart får han ha den när han vill.

Och det här är det vi ville visa under VM,
men som vi inte kunde,

eftersom FIFA av någon mystisk anledning
bröt sin sändning i halvtid.

Vad ni ska få se mycket kort
är Juliano Pinto i exot som sparkar till,

ett par minuter innan vi gick ut på planen

och gjorde den riktiga sparken
inför hela publiken,

och lamporna som ni kommer se
visar bara hur det hela går till.

När de blå lamporna lyser
betyder det att exot är redo att köra.

Det kan ta emot tankar
och det kan skicka feedback,

och när Juliano tar beslutet
att sparka till bollen

kommer ni att se två flöden
av grönt och gult ljus

som kommer från hjälmen
och går ner till benen,

som representerar de mentala kommandon
som exot har tagit emot,

för att de faktiskt ska hända.

Och på ungefär 13 sekunder

gjorde Juliano det.

Ni kan se kommandona.

Han gör sig klar,

bollen ligger där, och han sparkar.

Och det mest underbara är,

att 10 sekunder efter att han gjort det
och tittade på oss på planen,

sa han jublande,

"Jag kände bollen."

Det är ovärderligt.

(Applåder)

Vart kommer det här att leda?

Jag har två minuter på mig att berätta

att det är på väg
bortom din fantasis gränser.

Hjärnstyrningstekniken är här.

Det här är det senaste:
Vi publicerade det för ett år sen,

det första hjärna-till-hjärna-gränssnittet

som låter två djur
skicka mentala meddelanden

så att ett djur som ser något
i sin omgivning

kan skicka ett mentalt SMS,
en neurofysiologisk torped,

till det andra djuret,

och det andra djuret utför
den handling som det behöver utföra

utan att någonsin veta
vilket slags meddelande han fått utifrån

eftersom meddelandet kom
från det första djurets hjärna.

Det här är en första demo.

Jag ska vara väldigt snabb
för jag vill visa er det senaste.

Men vad ni ser här
är att den första råttan får information

genom en lampa som lyser
till vänster i buren

om att den ska trycka till vänster
för att få en belöning.

Den går dit och gör det.

Och samtidigt skickar den
ett mentalt meddelande

till den andra råttan
som inte såg någon lampa,

och den andra råttan
kommer i 70 procent av fallen

att trycka ner spaken
och få en belöning

utan att någonsin
ha upplevt ljuset på näthinnan.

Vi tog det här ännu längre

genom att låta apor samarbeta mentalt
i ett hjärnnätverk,

genom att donera sin hjärnaktivitet

och kombinera dem för att flytta
den virtuella arm som jag visade förut,

och vad ni ser här är första gången
som de två aporna kombinerar sina hjärnor,

synkroniserar sina hjärnor perfekt
för att förflytta den virtuella armen.

En apa kontrollerar x-dimensionen,

och den andra apan
kontrollerar y-dimensionen.

Men det blir lite mer intressant
när man sätter tre apor där inne

och man ber en apa kontrollera x och y,

en annan att kontrollera y och z,

och den tredje x och z,

och man får dem
att spela spelet tillsammans,

att förflytta 3D-armen till ett mål
för att få den brasilianska apelsinjuicen.

Och de gör faktiskt det.

Den svarta pricken
är kombinationen av dessa hjärnor

som jobbar parallellt, i realtid.

Det är definitionen av en biologisk dator,

som interagerar genom hjärnaktivitet
och uppnår ett motoriskt mål.

Vart är det här på väg?

Vi har ingen aning.

(Skratt)

Vi är bara forskare.

(Skratt)

Vi får betalt för att vara barn,

att ta oss till gränslandet
och upptäcka vad som finns där ute.

Men jag vet en sak:

En dag, om ett par årtionden,

när våra barnbarn surfar på nätet
bara genom att tänka,

eller en mor kan låta ut sitt seende
till ett autistiskt barn som inte kan se,

eller någon kan tala med hjälp av
en hjärna-till-hjärna-koppling,

då kommer några av er komma ihåg
att det hela började en vintereftermiddag

på en brasiliansk fotbollsplan
med en omöjlig spark.

Tack.

(Applåder)

Tack så mycket. Tack.

Bruno Giussani: Miguel,
tack för att du höll tiden.

Jag skulle faktiskt ha gett dig
några fler minuter,

för det finns några saker
vi skulle vilja utveckla

och vi behöver nog
sammankopplade hjärnor

för att veta vart det här tar vägen.

Så nu kopplar vi ihop det här.

Om jag har förstått dig rätt

så får den ena apan faktiskt en signal

och den andra apan
reagerar på den signalen

för att den första tar emot den
och skickar vidare nervimpulsen.

Miguel Nicolelis: Nej, inte riktigt.

Ingen apa vet om
att det finns två andra apor.

De får visuell feedback i 2D,

men uppgiften de ska lösa är i 3D.

De ska förflytta en arm i tre dimensioner.

Men varje apa ser bara två dimensioner

på den videoskärm
som den apan kontrollerar.

Och för att klara av det

behöver man minst två apor
för att synkronisera deras hjärnor,

men idealet är tre.

Vad vi upptäckte är
att när en apa börjar tappa fokus

förbättrar de andra två sin prestation

för att få den första att komma tillbaka

så det här justeras dynamiskt,

men den globala synkroniteten
förblir densamma.

Men om man utan att berätta det för apan

ändrar dimensionerna
som varje hjärna ska kontrollera,

till exempel om den killen
kontrollerar x och y,

men han nu ska kontrollera y och z,

glömmer det djurets hjärna genast
de gamla dimensionerna

och börjar koncentrera sig
på de nya dimensionerna.

Så vad jag vill säga är
att det inte finns någon Turing-maskin,

ingen dator kan förutsäga
vad ett hjärnnätverk kommer att göra.

Vi kommer att absorbera teknik
som en del av oss själva.

Tekniken kommer aldrig att absorbera oss.

Det är helt enkelt omöjligt.

BG: Hur många gånger
har du testat det här?

Och hur många gånger
har du lyckats och misslyckats?

MN: Oj, tiotals gånger.

Med de tre aporna? Ja, flera gånger.

Jag hade inte kunnat prata om det här
om jag inte hade gjort det flera gånger.

Och jag glömde att säga,
eftersom jag hade ont om tid

att för bara tre veckor sedan
var det en europeisk grupp

som demonstrerade en första
hjärna-till-hjärna-koppling på människor.

BG: Och hur går det till?

MN: Det fanns en informationsenhet -
stora idéer börjar ofta blygsamt -

men i stort sett

överfördes hjärnaktivitet från en individ

till en annan individ,
med hjälp av icke-invasiv teknik.

Den första testpersonen
fick ett meddelande,

som våra råttor, ett visuellt meddelande,

och överförde det
till den andra testpersonen.

Den andra testpersonen tog emot
en magnetisk puls i sin syncortex,

eller en annan puls, två olika pulser.

I den ena pulsen
såg testpersonen någonting.

I den andra pulsen
såg han något annat.

Och han kunde också berätta muntligt

vilket meddelande
den första personen hade skickat

genom internet över kontinenter.

BG: Wow. Okej, det är dit vi är på väg.

Det blir nästa TED-föredrag
vid nästa konferens.

Miguel Nicolelis, tack.
MN: Tack Bruno.