Miguel Nicolelis: En abe der kontrollerer en robotarm med sine tanker. Seriøst.

Kan vi bruge vores hjerner til direkte at kontrollere maskiner -- uden at bruge kroppen som mellemmand? Miguel Nicolelis fortæller om et forbløffende eksperiment, hvor en klog abe i USA lærer at kontrollere en abeavatar, og så en robotarm i Japan udelukkende med tankerne. Forskningen har store konsekvenser for folk der er ramt af quadriplegi -- og måske for os alle. (Filmet ved TEDMED 2012.)

Den slags neurovidenskab som jeg laver
og mine kolleger laver

er næsten ligesom manden fra vejrudsigten.

Vi jagter altid storme.

Vi vil se og måle storme -- det vil sige, brainstorme.

Og vi taler om brainstorms i vores daglige liv,

men vi ser eller lytter sjældent til en.

Så jeg kan godt lide at starte disse foredrag

ved faktisk at introducere jer for en af dem.

Faktisk, den første gang vi optog
mere end en neuron --

hundrede hjerneceller samtidig --

kunne vi måle de elektriske gnister

af hundrede celler i det samme dyr,

dette er det første billede vi fik,

de første 10 sekunder af denne optagelse.

Så vi fik en lille bid af en tanke,

og vi kunne se det foran os.

Jeg fortæller altid de studerende

at vi også kunne kalder neuroforskere
en slags astronomer,

fordi vi har at gøre med et system

der kun er sammenligneligt med
hensyn til antallet af celler

med antallet af galakser som vi har i universet.

Og her er vi, ud af milliarder af neuroner,

kun optagelser, 10 år siden, et hundrede.

Vi laver tusind nu.

Og vi håber på at kunne forstå noget
fundamentalt om vores menneskelige natur.

Fordi, hvis I ikke ved det endnu,

alt det vi bruger til at definere hvad den
menneskelige natur er, kommer fra disse storme,

det kommer fra disse storme der ruller hen
over bakkerne og dalene i vores hjerne

og definere vores minder, vores overbevisninger,

vores følelser, vores planer for fremtiden.

Det eneste vi nogensinde gør,

alt det mennesket nogensinde har gjort,
gør eller vil gøre,

kræver mange neuroners hårde arbejde
at producere denne slags storme.

Og lyden af en brainstorm,
hvis I nogensinde har hørt en,

er noget der ligner dette.

Man kan sætte det højere hvis man kan.

Min søn kalder dette "at lave popcorn
mens man lytter til en dårlig indstillet A.M. station."

Dette er hjernen.

Dette er hvad der sker når man tilslutter
disse elektriske storme til en højtaler

og man lytter til hundrede aktive hjerneceller,

vil ens hjerne lyde som dette
-- min hjerne, enhver hjerne.

Og det vi vil gøre som neuroforskere på denne tid

er faktisk at lytte til disse symfonier,
disse hjernesymfonier,

og prøve at udtrække de signaler der kommer fra dem.

I særdeleshed, for omkring 12 år siden

skabte vi en forberedelse som vi kaldte
hjerne-maskine grænseflader.

Og der er et skema her der beskriver
hvordan det fungerer.

Ideen er, lad os have nogle sensorer der lytter til
disse storme, disse elektriske udledninger,

og se om I kan, på den samme tid som det tager

for denne storm at forlade hjernen
og nå benene eller armene af et dyr --

omkring et halvt sekund --

lad os se om vi kan læse disse signaler,

udtrække de motoriske signaler der er indlejret i dem,

oversætte dem til digitale kommandoer

og sende dem til et kunstigt apparat

der vil reproducere det motoriske arbejde
for den hjerne i realtid.

Og se om vi kan måle hvor godt vi
kan oversætte det signal

når vi sammenligner det med måden
som kroppen gør det.

Og hvis vi faktisk kan give feedback,

kan sanse signaler der går tilbage
fra denne robotagtige, mekaniske

beregningsmæssige aktiveringsenhed,
der nu er under hjernens kontrol,

tilbage til hjernen,

hvordan hjernen håndterer det,

at modtage signaler fra
et kunstigt stykke maskineri.

Og det er faktisk hvad vi gjorde for 10 år siden.

Vi begyndte med en superstjerneabe
der hedder Aurora

der blev en af superstjernerne i dette felt.

Og Aurora kunne godt lide at spille computerspil.

Som I kan se her,

hun kan godt lide at bruge et joystick, ligesom vi,
ligesom jeres børn, at spille dette spil.

Og som en god primat, prøver hun endda
at snyde inden hun giver det rigtige svar.

Så selv inden der viser sig et mål
som hun skal krydse af

med markøren som hun kontrollerer
med dette joystick,

prøver Aurora at finde målet, uanset hvor det er.

Og hvis hun gør det,

fordi hver gang hun krydser det mål
med den lille markør,

får hun en dråbe brasiliansk appelsinjuice.

Og jeg kan fortælle jer,
at enhver abe vil gøre hvad som helst for dig

hvis man får en lille dråbe brasiliansk appelsinjuice.

Det vil alle primater faktisk.

Tænk over det.

Jamen, mens Aurora spillede dette spil, som I så,

og lavede tusinde forsøg hver dag

og fik 97 procent rigtige
og 350 milliliter appelsinjuice,

optager vi de brainstorms
der bliver produceret i hendes hoved

og sender dem tilbage til en robotarm

der lærte at reproducere bevægelserne
som Aurora lavede.

Fordi ideen var faktisk at tænde for
denne hjerne-maskine grænseflade

og få Aurora til at spille spillet bare ved at tænke,

uden at blive forstyrret af hendes krop.

Hendes brainstorms ville kontrollere en arm

der ville flytte markøren og krydse målet.

Og til vores chok, er det præcis det Aurora gjorde.

Hun spillede spillet uden at flytte sin krop.

Så enhver kurs som I ser markøren lave nu,

dette er præcis det første øjeblik hun forstod det.

Det er præcis det første øjeblik

en hjerneintention blev frigjort fra det fysiske domæne
af en primatkrop

og kunne agere udenfor, i den verden udenfor,

bare ved at kontrollere et kunstigt apparat.

Og Aurora blev ved med at spille spillet,
blev ved med at finde målet

og fik den appelsinjuice som hun ville have,
som hun havde trang til.

Jamen, hun gjorde det fordi hun,
på det tidspunkt, havde fået en ny arm.

Den robotarm I kan se flytte sig her 30 dage senere,

efter det første videoklip jeg viste jer,

bliver kontrolleret af Auroras hjerne

og flytter markøren for at komme hen til målet.

Og Aurora ved nu at hun kan spille spillet
med denne robotarm,

men hun har ikke mistet mulighederne for at bruge
hendes biologiske arme til at gøre hvad hun vil.

Hun kan klø sig på ryggen, hun kan klø en af os,
hun kan spille endnu et spil.

I alle hensigter og betydninger,

havde Auroras hjerne integreret det kunstige apparat

som en forlængelse af hendes krop.

Modellen af det selv som Aurora havde i sit sind

er blevet udvidet til at få endnu en arm.

Jamen, det gjorde vi for 10 år siden.

Bare spol 10 år frem.

Bare sidste år blev vi klar over at man ikke engang
har brug for et robotagtige apparat.

Man kan bare bygge en beregningsmæssig krop,
en avatar, en abeavatar.

Og man kan faktisk bruge den til vores aber
til enten at interagere med dem,

eller man kan træne dem til at indtage
i en virtuel verden

et førstepersons perspektiv med den avatar

og bruge hendes hjerneaktivitet til at kontrollere bevægelserne af avatarens arme eller ben.

Og det vi dybest set gjorde var at træne dyrene

til at lære hvordan man kontrollerer disse avatarer

og udforske objekter der forekommer
i den virtuelle verden.

Og disse objekter er visuelt identiske,

men når en avatar overskrider
disse objekters overflade,

sender de et elektrisk signal der er proportionalt
med den mikrotaktile tekstur af objektet

der går direkte tilbage til abens hjerne,

og informerer hjernen om hvad det er avataren rører.

Og på bare fire uger, lærer hjernen
at behandle denne nye oplevelse

og tilegner sig en ny sanse sti -- som en ny sans.

Og man kan i sandhed frigøre hjernen nu

fordi man tillader hjernen at sende
motorsignaler til at flytte denne avatar.

Og feedbacken der kommer fra avataren
bliver behandlet direkte i hjernen

uden hudens interferens.

Så det man ser her er designet af opgaven.

Man vil se et dyr der dybest set rører disse tre mål.

Og han skal selektere en,
fordi kun en bærer på belønningen,

appelsinjuicen som de vil have.

Og han skal vælge den ved at røre ved den,
ved hjælp af en virtuel arm, en arm der ikke eksisterer.

Og det er præcis det de gør.

Dette er en komplet frigørelse af hjernen

fra kroppens og motorikkens fysiske begrænsninger
i en perceptuel opgave.

Dyret kontrollerer avataren for at røre ved målene.

Og han mærker teksturen ved at modtage
et elektrisk signal direkte ind i hjernen.

Og hjernen beslutter hvad hvilken tekstur
der er forbundet med belønningen.

Signaturforklaringerne som man ser i
filmen viser sig ikke for aben.

Og for øvrigt, kan de alligevel ikke læse engelsk,

så de er der bare så I ved at det rigtige mål flytter sig.

Og alligevel, kan de finde dem gennem
berøringsmæssig sondring,

og de kan trykke på den og selektere den.

Så når vi ser på disse dyrs hjerner,

i det øverste panel ser man grupperingen
af 125 celler

der viser hvad der sker med hjerneaktiviteten,
de elektriske storme,

af denne prøve af neuroner i hjernen

når dyret bruger joysticket.

Og det er et billede som alle neurofysiologer kender.

Den grundlæggende gruppering viser at disse celler
koder i alle mulige retninger.

Det nederste billede er det der sker når kroppen
holder op med at bevæge sig

og dyret begynder at kontrollere enten et robotagtigt apparat eller en beregningsmæssig avatar.

Så hurtigt som vi kan genstarte vores computere,

begynder hjerneaktiviteten at repræsentere
dette nye redskab,

som om dette også er en del af den primats krop.

Hjernen assimilerer også det,
så hurtigt som vi kan måle det.

Så for os tyder det på at vores jeg-følelse

ikke ender ved det sidste lag af epitel af vores krop,

men det ender ved det sidste lag af elektroner af de redskaber som vi kontrollerer med vores hjerner.

Vores violiner, vores biler, vores cykler,
vores fodbolde, vores tøj --

de bliver alle assimileret af dette forslugne,
fantastiske, dynamiske system der hedder hjernen.

Hvor langt kan vi gå med dette?

Jamen, i et eksperiment vi udførte for nogle år siden,
tog vi dette til grænsen.

Vi havde et dyr der løb i en trædemølle

ved Duke University på USAs østkyst,

der producerede de brainstorms der var nødvendige
for at bevæge sig.

Og vi havde et robotagtige apparat,
en humanoid robot,

i Kyoto, Japan ved ATR Laboratories

der hele sit liv drømte om
at blive kontrolleret af en hjerne,

en menneskelig hjerne, eller en primat hjerne.

Det der sker her er at hjerne aktiviteten
der genererede bevægelserne i aben

blev sendt til Japan og fik denne robot til at gå

mens optagelser af denne gang
blev sendt tilbage til Duke,

så aben kunne se benene af denne robot
der gik rundt foran hende.

Så hun kunne belønnes,
ikke ved det hendes krop gjorde

men for hvert af robottens korrekte skridt,
på den anden side af planeten

kontrolleret af hendes hjerneaktivitet.

En sjov ting, den tur rundt om jorden
var 20 millisekunder hurtigere

end det tager for hendes hjernestorm
at forlade hovedet, abens hoved,

og nå dens egne muskler.

Aben bevægede en robot der var seks gange større,
tværs over planeten.

Dette er et af eksperimenterne hvor robotten
var i stand til at gå selvstændigt.

Dette er CB1 der opfylder sin drøm i Japan

under primatens hjerneaktivitets kontrol.

Så hvor vil vi hen med alt dette?

Hvad vil vi gøre med al denne forskning,

ud over at studere egenskaberne ved
dette dynamiske univers vi har mellem vores ører?

Jamen ideen er at tage al denne viden og teknologi

og prøve at genoprette en af de mest alvorlige
neurologiske problemer som vi har i verden.

Millioner af mennesker har mistet evnen
til at oversætte disse brainstorms

til handling, til bevægelse.

Selvom deres hjerner fortsætter med
at producere disse storme og kode bevægelserne,

de kan ikke krydse en barriere der blev skabt
af en kvæstelse på rygraden.

Så vores ide er at skabe en omledning,

at bruge disse hjerne-maskine grænseflader
til at læse disse signaler,

større brainstorms der indeholder ønsket
om at bevæge sig igen,

omlede kvæstelsen ved hjælp af
beregningsmæssig mikroingeniørarbejde

og sende det til en ny krop,
en hel krop der hedder et exoskelet,

en hel robotagtig dragt der bliver den nye krop
af disse patienter.

Og man kan se et billede der er produceret
af dette konsortium.

Dette er et nonprofit konsortium der hedder
Walk Again Project

der samler forskere fra Europa,

her fra USA, og i Brasilien

til at arbejde sammen og
faktisk bygge denne nye krop --

en krop som vi mener,
gennem de samme plastic mekanisme

der tillader Aurora og andre aber til at bruge disse redskaber gennem en hjerne-maskine grænseflade

og det tillader os at inkorporere de redskaber som vi producerer og bruger i vores daglige liv.

Denne samme mekanisme, håber vi,
vil tillade disse patienter,

ikke kun igen at forestille sig
de bevægelser som de vil lave

og oversætte dem til bevægelser af denne nye krop,

men for at denne krop kan assimilere sig
som den nye krop som hjernen kontrollerer.

For 10 år siden fik jeg fortalt

at dette aldrig ville ske, at dette var tæt på umuligt.

Og jeg kan kun fortælle jer at som forsker,

voksede jeg op i det sydlige Brasilien
i midten af 60'erne

og så et par skøre gutter der fortalte [os]
at de ville tage til månen.

Og jeg var fem år gammel,

og jeg forstod aldrig hvorfor NASA ikke hyrede
kaptajn Kirk og Spock til at klare jobbet;

de var trods alt meget dygtige --

men bare at se det som barn

fik mig til at tro på,
som min bedstemor plejede at fortælle mig,

at "det umulige er bare det mulige

som nogen ikke har lagt nok anstrengelse
i at gøre sandt."

Så de fortalte mig at det er umuligt
at få nogen til at gå.

Jeg tror at jeg vil følge min bedstemors råd.

Tak.

(Bifald)