Op 12 juni 2014, om precies 3 uur 33
op een zwoele wintermiddag in São Paulo in Brazilië,
een typisch Zuid-Amerikaanse wintermiddag,
heeft deze jongen,
die je hier ziet juichen alsof hij een goal heeft gescoord,
heeft Juliano Pinto, 29 jaar oud, iets ongelofelijks volbracht.
Ondanks zijn verlamming
en het ontbreken van gevoel van halverwege zijn borst tot zijn tenen
als gevolg van een auto-ongeluk zes jaar geleden dat zijn broer het leven kostte
en een complete dwarslaesie veroorzaakte
waardoor hij in een rolstoel terecht kwam,
oversteeg Juliano zichzelf en deed die dag iets
wat niemand die hem in die zes jaar had gezien,
voor mogelijk had gehouden.
Juliano Pinto deed de aftrap
van het WK voetbal 2014 in Brazilië
alleen met zijn gedachten.
Hij kon zijn lichaam niet bewegen,
maar kon zich de bewegingen voorstellen die nodig waren om een bal te trappen.
Hij was een atleet vóór de dwarslaesie. Hij is nu een para-atleet.
Hij zal hopelijk over een aantal jaar bij de Paralympische Spelen zijn.
Maar wat de dwarslaesie Juliano niet heeft afgenomen,
is zijn vermogen om te dromen.
En dromen deed hij die middag in een stadion met zo'n 75.000 mensen
en een TV-publiek van bijna een miljard.
En die trap was de kroon op bijna 30 jaar basisonderzoek,
onderzoek naar hoe het brein,
hoe dit ongelofelijke universum dat we tussen onze oren hebben,
dat alleen vergeleken kan worden met het universum boven onze hoofden,
want het heeft ongeveer 100 miljard elementen
die met elkaar praten via elektrische hersengolven,
wat Juliano heeft bereikt,
is het resultaat van 30 jaar denken in laboratoria
en zo'n 15 jaar planning.
Toen John Chapin en ik 15 jaar geleden in een artikel voorstelden
dat we iets zouden bouwen wat we een hersen-machine-interface noemden,
wat betekende dat we de hersenen verbonden aan apparaten
zodat dieren en mensen deze apparaten konden bewegen
ongeacht hoe ver weg ze fysiek waren,
alleen door te bedenken wat ze wilden doen,
zeiden onze collega's dat we professionele hulp nodig hadden,
psychiatrische hulp welteverstaan.
Ondanks dat hielden een Schot en een Braziliaan vol,
want zo waren we opgevoed,
en 12, 15 jaar lang
maakten we demonstratie na demonstratie die liet zien dat dit mogelijk was.
Een hersen-machine-interface is geen raketwetenschap,
het is slechts hersenonderzoek.
Het is niets anders dan sensoren gebruiken
om elektrische hersengolven te lezen die het brein produceert
om motorcommando's te genereren
die naar de ruggengraat gedownload moeten worden.
Dus hebben we sensoren geplaatst
die honderden, inmiddels duizenden, hersencellen simultaan kunnen lezen
en deze elektrische signalen omzetten
naar de motorische planning die de hersenen genereren
om ons daadwerkelijk in de ruimte te laten bewegen.
En door dat te doen, hebben we deze signalen omgezet naar digitale commando's
die alle mechanische, elektronische en virtuele apparaten kunnen begrijpen,
zodat de deelnemer zich kan voorstellen wat hij, zij of het wil laten bewegen
en het apparaat gehoorzaamt die hersenopdracht.
Door deze apparaten uit te rusten met veel verschillende typen sensoren,
zoals je zo meteen zult zien,
hebben we boodschappen echt naar het brein teruggestuurd om te bevestigen
dat die vrijwillige motorische wens werd uitgevoerd, ongeacht waar --
vlakbij de deelnemer, in de ruimte ernaast of aan de andere kant van de planeet.
En omdat deze boodschap terugkoppeling gaf aan de hersenen
volbracht het brein zijn doel: ons in beweging zetten.
Dit is een experiment dat wij een paar jaar geleden hebben gepubliceerd
waar een aap, zonder zijn lichaam te bewegen,
geleerd heeft om de bewegingen van een 'avatar-arm' te beheersen,
een virtuele arm die niet bestaat.
Wat je hoort is het geluid van de hersenen van deze aap
terwijl hij drie verschillende visueel identieke gebieden onderzoekt
in een virtuele ruimte.
En om een beloning te krijgen,
een druppel sinaasappelsap, waar apen dol op zijn,
moet dit dier een van deze voorwerpen selecteren
door het aan te raken,
niet door kijken, maar door aanraken,
want elke keer dat deze virtuele hand een voorwerp aanraakt,
gaat er een electrische trilling terug naar het brein van het dier
dat de fijne textuur van het oppervlak van dit voorwerp omschrijft,
zodat het dier kan bepalen welk object het juiste is om te pakken.
En als hij dat doet, krijgt hij een beloning.
Zonder een spier te vertrekken.
De perfecte Braziliaanse lunch:
geen spier vertrekken en toch je sinaasappelsap krijgen.
Toen we dit zagen gebeuren,
hebben we het idee dat we 15 jaar geleden hadden gepubliceerd weer voorgesteld.
We bliezen het idee nieuw leven in.
We hebben het uit de lade gehaald
en we stelden voor dat we wellicht een mens met een verlamming moesten zoeken
om de hersen-machine-interface te gebruiken om mobiliteit te herwinnen.
Het idee was dat als je --
en het kan ons allemaal overkomen.
Ik zeg je, het gebeurt heel plotseling.
In de milliseconde van een botsing,
een auto-ongeluk dat je leven totaal op zijn kop zet.
Als je een complete dwarslaesie hebt,
kan je niet bewegen, want hersengolven kunnen je spieren niet bereiken.
Maar de hersengolven worden nog wel aangemaakt in je hoofd.
Patiënten met hoge en lage dwarslaesies dromen elke avond over bewegen.
Ze hebben dat in hun hoofd.
Het probleem is deze code uit het hoofd te krijgen
en het om te zetten in beweging.
Dus we stelden voor een nieuw lichaam te maken.
Laten we een robotvest maken.
En dat is precies waarom Juliano die bal kon trappen door er alleen aan te denken,
want hij droeg het eerste hersenbestuurbare robotvest
dat gebruikt kan worden door dwarslaesiepatiënten om te bewegen
en om terugkoppeling te krijgen.
Dat was het oorspronkelijke idee, 15 jaar geleden.
En wat ik je nu laat zien is hoe 156 mensen uit 25 landen
van alle continenten op deze prachtige aarde
hun leven en patenten opgaven,
hun honden, vrouwen, kinderen, scholen, banen opgaven
en samenkwamen in Brazilië om dit in 18 maanden voor elkaar te krijgen.
Want een paar jaar nadat Brazilië de WK was toegewezen,
hoorden we dat de Braziliaanse regering iets van betekenis wilde doen
bij de openingsceremonie
in het land dat voetbal opnieuw had uitgevonden en had geperfectioneerd,
tot we de Duitsers tegenkwamen natuurlijk.
(Gelach)
Maar dat is een andere presentatie
en een andere neurowetenschapper moet daarover praten.
Maar wat Brazilië wilde doen, was een heel ander land laten zien,
een land dat wetenschap en technologie waardeert
en een geschenk kan geven aan 25 milioen mensen over de hele wereld
die niet langer kunnen bewegen door een dwarslaesie.
Dus we gingen naar de Braziliaanse regering en de FIFA en stelden voor
om de aftrap voor het WK 2014
te laten doen door een verlamde Braziliaan
via een hersenbestuurbaar exoskelet,
waardoor hij de bal kan trappen en het contact met de bal kan voelen.
Ze keken naar ons alsof we compleet gestoord waren
en zeiden: "OK, laten we het proberen."
We hadden 18 maanden om alles van de grond af te bouwen.
We hadden geen exoskelet, we hadden geen patienten,
we hadden niets af.
Deze mensen kwamen allemaal samen
en binnen 18 maanden hadden acht patienten een trainingsschema
en bouwden vanaf de basis dit ding,
dat we Brazil-Santos Dumont 1 noemen.
Het eerste hersen-gestuurde exoskelet ooit gebouwd
is genoemd naar de beroemdste Braziliaanse wetenschapper aller tijden,
Alberto Santos Dumont,
die op 19 oktober 1901 het eerste bestuurbare luchtschip maakte
en er in Parijs voor het oog van een miljoen mensen mee vloog.
Met excuses aan mijn Amerikaanse vrienden,
ik woon in North Carolina,
maar dit was twee jaar voordat de gebroeders Wright
bij de kust van North Carolina vlogen.
(Applaus)
Het vermogen om te vliegen is Braziliaans.
(Gelach)
Dus samen met deze mensen
hebben we het exoskelet gemaakt,
15 graden vrijheid, hydraulische machine
die bestuurd kan worden door hersensignalen die zijn opgenomen
met een niet-invasieve technologie, electro-encephalography,
die er voor zorgt dat de patient zich de bewegingen kan voorstellen
en dan deze opdrachten naar de controllers, de motoren, kan sturen
zodat ze uitgevoerd worden.
Dit exoskelet werd bedekt met een kunsthuid
uitgevonden door Gordon Cheng, een van mijn beste vrienden, in München,
om de sensatie van beweging van gewrichten en het met de voet raken van de grond
terug te sturen naar de patient via een vest, een shirt.
Dit is een slim shirt met microvibrerende elementen
dat feitelijk terugkoppeling geeft en het brein van de patiënt voor de gek houdt
door een gevoel te creëren dat het geen machine is die hem draagt,
maar dat hij weer loopt.
Dus we zetten dit in gang en wat je hier ziet,
is de eerste keer dat een van de patiënten, Bruno,
voor het eerst echt loopt.
En het kost een paar seconden, omdat we alles nog programmeren,
en je zal een blauw lichtje zien dat voor de helm langsgaat,
want Bruno moet zich eerst voorstellen welke bewegingen nodig zijn.
Dan analyseert de computer het, Bruno bevestigt het,
en als het dan bevestigd is,
begint het apparaat te bewegen op bevel van Bruno's hersenen.
En hij had het net goed en nu begint hij te lopen.
Na negen jaar zonder te kunnen bewegen,
loopt hij zelfstandig.
En meer dan dat --
(Applaus)
meer dan alleen lopen,
hij voelt de grond
en als de snelheid van de exo toeneemt,
vertelt hij ons dat hij weer loopt op het zand van Santos,
het strandresort waar hij naartoe ging voor zijn ongeluk.
Daarom maakt het brein nieuwe sensaties aan in Bruno's hoofd.
Hij loopt dus, en na zijn wandeling -- ik ben al bijna door mijn tijd heen --
zegt hij: "Weet je,
ik moet dit ding van jullie lenen als ik ga trouwen,
want ik wil naar de priester lopen
en er alleen staan als ik mijn bruid zie."
Natuurlijk kan hij het krijgen wanneer hij wil.
En dit is wat we wilden laten zien tijdens het WK, maar dat kon niet,
want om onduidelijke redenen halveerde de FIFA de uitzending.
Wat je nu gaat zien, is Juliano Pinto in de exo, die aftrapt,
een paar minuten voordat we naar het veld gingen
en het echt deden voor het hele publiek,
en de lichten die je zal zien laten alleen zien hoe het werkt.
Het blauwe flikkerlicht betekent dat de exo klaar is voor gebruik.
Het kan gedachten ontvangen en kan terugkoppeling geven.
En als Juliano de beslissing neemt om de bal te trappen,
zal je twee banen geel en groen licht zien
die uit de helm komen en naar de benen gaan
wat illustreert dat de exo commando's verstuurt
zodat dit daadwerkelijk gebeurt.
En in 13 seconden
deed Juliano dit ook echt.
Je kan de commando's zien.
Hij bereid zich voor, de bal wordt neergelegd, en hij trapt.
En het meest verbazingwekkende is,
10 seconden nadat hij dit had gedaan en naar ons keek op het veld
vertelde hij ons, terwijl hij juichte:
"Ik voelde de bal."
En dat is onbetaalbaar.
(Applaus)
Maar waar gaat dit heen?
Ik heb twee minuten om je te vertellen
dat het tot aan de uitersten van je voorstellingsvermogen gaat.
Hersengestuurde technologie bestaat.
Het meest recente: we hebben vorig jaar gepubliceerd
over de eerste brein-tot-brein-interface
die twee dieren in staat stelt mentale boodschappen uit te wisselen,
zodat één dier dat iets ziet dat uit de omgeving komt
een mentaal SMSje, een torpedo, een neurofysiologische torpedo kan sturen
naar het tweede dier
en het tweede dier voert de opdracht uit die hij uit moest voeren,
zonder zelfs maar te weten wat voor boodschap er gestuurd was,
want de boodschap kwam uit de hersenen van het eerste dier.
Dus dit is de eerste demonstratie.
Ik doe dit snel omdat ik jullie het meest recente wil laten zien.
Maar wat je hier ziet, is de eerste rat die geinformeerd wordt
door middel van een licht aan de linkerkant van de kooi
dat hij de linker kooi moet aanraken om een beloning te krijgen.
Hij gaat erheen en doet het.
En tegelijkertijd stuurt hij een mentaal signaal
naar de tweede rat die geen licht heeft gezien,
en de tweede rat, in 70 procent van de gevallen,
drukt het linker pedaal in om een beloning te krijgen
zonder ooit het licht te hebben gezien.
Dus we hebben dit op een hoger plan getrokken
door apen mentaal samen te laten werken in een hersennetwerk,
zeg maar hun hersenactiviteit te doneren,
en daarmee de virtuele arm die ik eerder heb laten zien te bewegen.
Wat je hier ziet is de eerste keer dat de twee apen hun brein combineren,
hun hersenen perfect synchroniseren om deze virtuele arm te laten bewegen.
Één aap bestuurt de x-dimensie,
de andere aap bestuurt de y-dimensie.
Maar het wordt nog interessanter als je het met drie apen doet
en je vraagt één aap x en y te besturen,
de ander y en z,
en de derde x en z,
en je laat ze samen spelen
om de 3D arm zo te bewegen dat ze hun sinaasappelsap krijgen.
En het lukt ze ook.
De zwarte stip is het gemiddelde van al deze hersenen,
een live representatie daarvan.
Dat is de definitie van een biologische computer:
samenwerken door hersenactiviteit en een motorisch doel bereiken.
Waar gaat dit heen?
We hebben geen idee.
We zijn maar wetenschappers.
(Gelach)
We worden betaald om kind te zijn,
om tot het uiterste te gaan en te ontdekken wat er nog meer is.
Maar ik weet één ding:
op een dag, binnen een paar decennia,
als onze kinderen op internet surfen door er alleen aan te denken
of een moeder haar zicht geeft aan een autistisch kind dat niet kan zien
of iemand spreekt dankzij een brein-tot-brein-bypass,
dan zullen sommigen zich herinneren dat het allemaal begon op een wintermiddag
op een Braziliaans voetbalveld met een onmogelijke trap.
Dank je wel.
(Applaus)
Bruno Giussani: Dank je.
Miguel, bedankt dat je binnen de tijd bent gebleven.
Ik wilde je eigenlijk een paar minuten langer geven,
want er zijn wat punten waar we dieper op in willen gaan en natuurlijk
zouden we verbonden hersenen moeten hebben om te weten waar dit heen gaat.
Dus laten we dit allemaal verbinden.
Als ik het goed begrijp,
krijgt één van de apen daadwerkelijk een signaal
en de andere aap reageert op dat signaal
alleen omdat de eerste het ontvangt en de neurologische impuls verzend.
Miguel Nicolelis: Nee, het ligt iets anders.
Geen enkele aap weet van het bestaan van de andere twee apen.
Ze krijgen visuele terugkoppeling in 2D,
maar de opdracht die ze moeten uitvoeren is in 3D.
Ze moeten een arm in drie dimensies bewegen.
Maar elke aap krijgt alleen de twee dimensies op het videoscherm
dat de aap bedient.
En om het gedaan te krijgen
heb je tenminste twee apen nodig die hun hersenen synchroniseren,
maar drie is ideaal.
Wat we uitvonden is dat als één aap begint te verslappen,
de andere twee apen juist beter hun best gaan doen
om die ene weer terug te laten komen.
Dit past zich dynamisch aan,
maar de globale synchroniteit blijft hetzelfde.
Maar als je het omdraait zonder het de aap te vertellen
welke dimensies ieder brein moet besturen,
zoals degene die x en y bestuurt,
maar nu moet hij y en z besturen,
vergeet het brein van dat dier onmiddelijk de oude dimensies
en concentreert het zich op de nieuwe dimensies.
Dus ik moet wel zeggen dat geen enkele Turing-machine,
geen enkele computer kan voorspellen wat een breinnetwerk gaat doen.
Dus we absorberen technologie als onderdeel van onszelf.
Technology zal ons nooit absorberen.
Dat is simpelweg onmogelijk.
BG: Hoe vaak heb je dit getest?
En hoe vaak was het succesvol versus mislukt?
MN: Oh, tientallen keren.
Met de drie apen? Verscheidene keren.
Ik zou er hier niet over kunnen praten als ik het niet een paar keer had gedaan.
En ik was vergeten te zeggen
dat drie weken geleden een Europese groep
de eerste mens-naar-mens,
brein-tot-brein-connectie heeft laten zien.
BG: En hoe gaat dat?
MN: Een klein stukje informatie -- grote ideeën beginnen bescheiden --
maar de hersenactiviteit van een deelnemer
werd verzonden naar een andere deelnemer, met non-invasieve technologie.
De eerste deelnemer kreeg een boodschap, net als onze ratten, een visuele boodschap
en verzond het naar de andere deelnemer.
Deelnemer twee ontving een magnetische trilling in het visuele hersencentrum,
of een andere trilling, twee verschillende trillingen.
In één trilling zag de deelnemer iets.
Bij de andere trilling zag hij iets anders.
En hij was in staat te verwoorden
welke boodschap de eerste deelnemer stuurde
via internet, over verschillende continenten.
BG: Wauw, OK. Dus daar gaat het naartoe.
Dat is de volgende TED Talk op een volgend congres.
Miguel Nicolelis, dank je wel.
MN: Dank je wel Bruno.