Um macaco que controla um robô com pensamentos. A sério.

Podemos usar o cérebro para controlar máquinas diretamente — sem necessitar de um intermediário? Miguel Nicolelis fala sobre uma experiência impressionante, na qual um macaco esperto nos EUA aprende a controlar um macaco avatar, e então um braço robótico no Japão, apenas com o pensamento. A pesquisa tem grande importância para pessoas tetraplégicas — e talvez para todos nós.
(Filmado no TEDMED 2012.)

O tipo de neurociência
que eu e os meus colegas fazemos

é quase como o de um meteorologista.

Estamos sempre à procura de tempestades.

Queremos ver e medir tempestades
— tempestades cerebrais.

Todos nós falamos de "brainstorms"
no nosso dia-a-dia

mas raramente vemos ou ouvimos uma.

Gosto sempre de começar estas palestras

apresentando-vos a uma delas.

A primeira vez que gravámos
mais de um neurónio

— uma centena de células cerebrais
simultaneamente —

conseguimos medir os impulsos elétricos

de uma centena de células
num mesmo animal.

Esta é a primeira imagem que obtivemos,

os primeiros 10 segundos de gravação.

Tínhamos um pequeno
fragmento de um pensamento,

e conseguimos vê-lo à nossa frente.

Eu digo sempre aos estudantes

que também podemos chamar
aos neurocientistas

uma espécie de astrónomo,

porque lidamos com um sistema

que, em relação ao número de células,

só é comparável ao número de galáxias
que temos no universo.

Aqui estamos, entre milhares
de milhões de neurónios,

há 10 anos, a gravar apenas
uma centena deles.

Agora, estamos a gravar mil.

Esperamos compreender algo fundamental
sobre a natureza humana.

Porque, se ainda não sabem,

tudo o que usamos para definir
a natureza humana vem destas tempestades,

vem destas tempestades que percorrem
as montanhas e vales do nosso cérebro

e definem as nossas memórias,
as nossas crenças

os nossos sentimentos,
os nossos planos para o futuro,

tudo o que fazemos.

Tudo o que cada ser humano
já fez, faz ou irá fazer,

necessita do trabalho incessante
de uma população de neurónios

a produzir este tipo de tempestades.

O som de uma tempestade cerebral
— se nunca ouviram nenhuma —

é parecido com isso.

Podem aumentar o volume?

(Crepitação)

O meu filho chama-lhe:

"Fazer pipocas a ouvir uma estação
de rádio mal sintonizada".

Isto é o cérebro.

Ouvimos isto quando direcionamos
estas tempestades elétricas

para um autofalante

e ouvimos uma centena
de células cerebrais a disparar.

O cérebro soa desta maneira
— o meu cérebro, qualquer cérebro.

O que queremos fazer neste momento,
enquanto neurocientistas,

é ouvir estas sinfonias,
estas sinfonias cerebrais,

e tentar extrair delas
a mensagem que transportam.

Em particular, há cerca de 12 anos,

criámos um modelo a que chamamos
interface homem-máquina.

Temos aqui um esquema
que descreve como funciona.

A ideia é ter sensores
que escutam estas tempestades,

estes disparos elétricos,

e ver se conseguimos,

no mesmo tempo que essa tempestade
leva a sair do cérebro

e a chegar às pernas
ou aos braços de um animal

— cerca de meio segundo —

ver se conseguimos ler esses sinais,

extrair as mensagens motoras
que estão contidas neles,

traduzi-las para comandos digitais

e mandar para um aparelho artificial

que vai reproduzir a roda motora voluntária
daquele cérebro em tempo real.

E ver se podemos medir até que ponto
traduzimos bem essa mensagem

em comparação com a maneira
como o corpo faz isso.

E se conseguimos dar "feedback",

sinais sensórios que vão
desse equipamento informático,

mecânico, robótico,

que está sob o controlo do cérebro

de volta para o cérebro,

como o cérebro lida com isso,

com receber mensagens saídas
de um aparelho artificial.

Foi isso exatamente
o que fizemos há dez anos.

Começámos com uma macaca superstar
chamada Aurora

que se tornou numa
das estrelas desta área.

Aurora gostava de jogar videogames.

Como vemos aqui,

ela gosta de usar um "joystick",
como qualquer um de nós,

qualquer uma das nossas crianças,
para jogar este jogo.

Como boa primata, até tenta fazer batota
antes de conseguir a resposta correta.

Antes de aparecer o alvo
que ela supostamente

deve cruzar com o cursor
que ela controla com o "joystick",

Aurora está a tentar encontrar o alvo,
onde quer que ele esteja.

Ela faz isto,

porque sempre que ela cruza aquele alvo
com o cursor,

ganha uma gota de sumo
de laranja brasileiro.

Posso dizer que qualquer macaco fará tudo

se lhe dermos uma gotinha
de sumo de laranja brasileiro.

Qualquer primata fará isso.

Pensem nisso.

Enquanto Aurora estava a jogar este jogo,

a fazer milhares de tentativas diariamente,

acertando 97% das vezes
e ganhando 350 mililitros de sumo de laranja,

nós estávamos a gravar as tempestades
produzidas no seu cérebro

e a enviá-las para um braço robótico

que estava a aprender a reproduzir
os movimentos que Aurora estava a fazer.

Porque a ideia era fazer funcionar
essa interface cérebro-máquina

e fazer com que Aurora jogasse
apenas com o pensamento,

sem interferência do corpo dela.

As tempestades cerebrais dela
controlariam o seu braço

que moveria o cursor e cruzaria o alvo.

Para nosso espanto,
foi exatamente isso que Aurora fez.

Ela jogava o jogo sem sequer
mover o corpo.

Cada trajetória do cursor
que estamos a ver agora,

foi exatamente a primeira vez
que ela fez isso.

Esta é precisamente a primeira vez

que uma intenção cerebral se libertou
do domínio físico do corpo de um primata

e pôde atuar fora, no mundo exterior,

apenas a controlar um aparelho artificial.

Aurora continuou a jogar,
continuou a procurar o pequeno alvo

e a ganhar o sumo de laranja
que queria ganhar, que tanto desejava.

Ela fez isso porque, naquele momento,
tinha adquirido um novo braço.

Um braço robótico que vemos aqui
a mexer, 30 dias depois,

depois do primeiro vídeo
que eu vos mostrei,

está sob o controlo do cérebro de Aurora

e está a mover o cursor
para acertar no alvo.

Aurora agora sabe que pode jogar
com esse braço robótico,

mas não perdeu a capacidade
de usar os braços biológicos

para fazer o que bem entender.

Pode coçar as costas, pode coçar
um de nós, pode jogar outro jogo.

Por todos os motivos e razões,

o cérebro de Aurora
incorporou o aparelho artificial

como uma extensão de seu corpo.

O modelo de si própria
que Aurora tinha na sua cabeça

expandiu-se para obter um braço a mais.

Fizemos isso há 10 anos.

Avancemos rapidamente 10 anos.

No ano passado percebemos

que nem sequer precisamos
de ter um aparelho robótico.

Podemos construir apenas
um corpo informático,

um avatar, um macaco avatar.

Podemos usá-lo para os nossos macacos
interagirem com eles,

ou para podermos treiná-los
a controlar um mundo virtual

a perspetiva de primeira pessoa
de um avatar

e usar a sua atividade cerebral

para controlar os movimentos
das pernas e braços do avatar.

Treinámos os animais

a aprender a controlar esses avatares

e a explorar objetos
que aparecem no mundo virtual.

Esses objetos são visualmente idênticos,

mas quando o avatar cruza
a superfície desses objetos,

eles enviam uma mensagem elétrica

que é proporcional
à microtextura tátil do objeto

e ela vai diretamente de volta
para o cérebro do macaco,

informando o cérebro
do que o avatar está a tocar.

Em apenas quatro semanas,

o cérebro aprende
a processar essa nova sensação

e adquire um novo caminho sensorial
— como um novo sentido.

E assim libertamos o cérebro

porque permitimos que o cérebro
envie comandos para mover o avatar.

O "feedback" que vem do avatar
é processado diretamente pelo cérebro

sem interferência da pele.

Então o que vemos aqui
é o "design" de uma tarefa.

Vamos ver um animal
a tocar nestes três alvos.

Tem que escolher um porque
só um terá uma recompensa,

o sumo de laranja que eles querem obter.

Tem que o selecionar pelo toque

usando um braço virtual,
um braço que não existe.

É exatamente isso que eles fazem.

Esta é a libertação total do cérebro

dos limites físicos do corpo e do motor
numa tarefa de perceção.

O animal está a controlar o avatar
para tocar nos alvos.

E está a sentir a textura ao receber
mensagens elétricas diretamente no cérebro.

O cérebro está a decidir qual é a textura
associada à recompensa.

As legendas que vemos no filme
não aparecem para o macaco

De qualquer modo, eles não leem inglês,

elas estão ali para sabermos
que o alvo correto está a mudar de posição.

Mesmo assim, eles encontram-no
através da discriminação tátil,

e podem pressioná-lo e selecioná-lo

Quando olhamos para o cérebro
desses animais,

no painel mais alto, vemos
o alinhamento de 125 células

que mostra o que acontece
com a atividade cerebral,

as tempestades elétricas dessa amostra
de neurónios no cérebro

quando o animal está a usar um "joystick"

Esta é a imagem
que todos os neurocientistas conhecem.

O alinhamento básico
mostra que estas células

estão a codificar para todas
as possíveis direções

A figura de baixo é o que acontece
quando o corpo deixa de se mover

e o animal começa a controlar

quer o aparelho robótico
quer o avatar informático.

Tão depressa quanto podemos
reiniciar os nossos computadores

a atividade cerebral muda para começar
a representar a nova ferramenta,

como se a ferramenta fosse parte
do corpo do primata.

O cérebro também está a assimilar isso
tão depressa quanto podemos medir.

Então isto sugere
que a nossa noção de 'eu'

não termina na última camada epitelial
do nosso corpo,

mas termina na última camada
de eletrões das ferramentas

que estamos a comandar com o cérebro.

Os nossos violinos, os carros,

as nossas bicicletas, as bolas de futebol,
as nossas roupas,

tudo é assimilado por esse sistema voraz,
incrível e dinâmico chamado cérebro.

Onde podemos chegar?

Numa experiência que fizemos há uns anos,
levámos isto até ao limite.

Tínhamos um animal a correr numa esteira

na universidade de Duke
na costa leste dos EUA,

que produzia as tempestades cerebrais
necessárias para se mover.

Tínhamos um aparelho robótico,
um robô humanoide,

nos laboratórios ATR em Quioto, no Japão

que sonhara toda a vida
em ser controlado por um cérebro,

um cérebro humano,
ou o cérebro de um primata.

A atividade cerebral que gerou
os movimentos do macaco

foi transmitida para o Japão
e fez o robô andar

enquanto a filmagem dessa caminhada
era enviada de volta para Duke,

para o macaco poder ver as pernas do robô
a caminhar à sua frente.

Assim, ele podia ser recompensado,
não pelo que o seu corpo estava a fazer,

mas por cada passo correto
que o robô dava do outro lado do planeta

controlado pela atividade cerebral dele.

O engraçado é que a ida e volta
em torno do globo

demorou 20 milissegundos menos

do que levaria para a tempestade cerebral
deixar a cabeça do macaco,

e chegar aos seus próprios músculos.

O macaco movia um robô
seis vezes maior do que ele,

do outro lado do planeta.

Esta é uma das experiências em que
os robôs conseguiram andar com autonomia.

Esse é o CB1 realizando
o seu sonho, no Japão,

sob o controlo da atividade cerebral
de um primata.

Então para onde estamos a levar tudo isto?

O que faremos com toda essa pesquisa,

para além de estudar as propriedades
deste dinâmico universo

que temos entre as nossas orelhas?

A ideia é pegar em todo
este conhecimento e tecnologia

e tentar solucionar
um dos problemas neurológicos

mais graves que temos no mundo.

Milhões de pessoas perderam a capacidade
de traduzir essas tempestades cerebrais

em ações, em movimento.

Embora o cérebro continue a produzir
essas tempestades e a codificar movimentos,

elas não podem cruzar a barreira

que foi criada por uma lesão
na espinal medula.

Então a nossa ideia é criar um "bypass",

é usar a interface cérebro-máquina
para ler esses sinais,

tempestades cerebrais em alta escala
que contêm o desejo de mover novamente

fazer um "bypass" na lesão
usando microengenharia informática

e enviar para um novo corpo,
um corpo inteiro chamado exosqueleto,

um traje robótico completo

que vai tornar-se no novo corpo
desses pacientes.

Vemos uma imagem
produzida por um consórcio.

É um consórcio sem fins lucrativos
chamado "Caminhe Novamente"

que está a reunir cientistas da Europa,

daqui dos EUA e do Brasil

para trabalhar e construir
esse novo corpo,

um corpo que, através dos mesmos
mecanismos plásticos

que permitem a Aurora e a outros macacos
usarem essas ferramentas

através de uma interface cérebro-máquina

e que nos permite
incorporar as ferramentas

que produzimos e usamos
na nossa vida diária.

Esse mesmo mecanismo, esperamos,
vai permitir a esses pacientes

não apenas a imaginar novamente
os movimentos que eles querem fazer

e traduzi-los em movimentos
desse novo corpo,

mas assimilar esse corpo
como um novo corpo que o cérebro controla.

Há 10 anos, disseram-me
que isso nunca aconteceria,

que isso era impossível.

Enquanto cientista, apenas posso dizer,

eu cresci no sul do Brasil,
na década de 60,

a ver uns loucos a dizer
que iriam até à Lua.

Eu tinha cinco anos, e nunca entendi
porque é que a NASA

não contratou para isso
o capitão Kirk e o Spock.

Afinal de contas,
eles eram muito competentes.

Mas ver aquilo, enquanto criança,

fez-me acreditar,
como a minha avó costumava dizer:

"O impossível é apenas o possível

"que alguém ainda não se esforçou
bastante para tornar realidade"

Disseram-me que era impossível
fazer alguém andar.

Eu acho que vou seguir
o conselho da minha avó.

Obrigado.

(Aplausos)