Miguel Nicolelis: Opice, která svými myšlenkami ovládá robota. Ne, vážně.

Můžeme používat náš mozek k přímému ovládání přístrojů -- bez potřeby těla jako prostředníka? Miguel Nicolelis nás provádí úžasným experimentem, v němž se chytrá opice v USA naučí ovládat opičího avatara a následně robota v Japonsku, čistě skrze své myšlenky. Tento výzkum znamená mnoho pro postižené ochrnutím -- a možná i pro nás pro všechny.
(Natočeno na TEDMED 2012.)

Druh neurovědy, jímž se já a mí kolegové zabýváme,

se velmi podobá meteorologům.

Stále honíme bouře.

Snažíme se zahlédnout a měřit bouře -- tedy mozkové bouře.

A všichni běžně v životě hovoříme o mozkových bouřích,

ale jen zřídkakdy nějakou vidíme či slyšíme.

Proto tyto přednášky pokaždé rád začínám

představením jedné z nich.

Vlastně poprvé, co jsme zaznamenali více než jeden neuron

-- celou stovku mozkových buněk zároveň --

jsme byli schopni změřit elektrické jiskření

sta buněk v témže zvířeti,

tohle je první obrázek, který jsme získali,

prvních 10 sekund této nahrávky.

Takže máme malý kousek myšlenky

a máme ji takto viditelně před sebou.

Pokaždé studentům říkám,

že neurovědci by se dali také nazvat takovými trochu astronomy,

poněvadž se zde setkáváme se systémem,

který je, co se týče počtu buněk, srovnatelný

s počtem galaxií, které jsou v našem vesmíru.

A tady před námi jsme z miliard neuronů

před 10 lety zaznamenávali jen stovku.

V dnešní době je to tisíc.

Snažíme se tím porozumět něčemu velice základnímu ohledně podstaty člověka.

Protože, jestli to ještě nevíte,

všechno, co používáme k definování toho, co je podstatou člověka, vychází z těchto bouří,

z těchto bouří, které se převalují přes vrcholky a prohlubně našich mozků

a definují naše vzpomínky, naše domněnky,

naše pocity, naše plány do budoucna.

Vše, co kdy děláme,

vše, co každý člověk kdy dokázal nebo dokáže,

vyžaduje úsilí populací neuronů produkujících takovéto různé bouře.

A zvuk mozkové bouře, jestli jste ještě nikdy žádnou neslyšeli,

zní asi takhle.

Mohli bychom tomu přidat zvuk, kdyby se to dalo.

Můj syn tomu říká "dělání popcornu během poslechu špatně naladěné AM stanice".

Tohle je mozek.

Tohle se stane, když tyto bouře navedete do reproduktoru

a posloucháte aktivitu sta mozkových buněk,

váš mozek bude znít takto -- můj mozek, jakýkoli mozek.

A dnes se jako neurovědci vlastně snažíme

naslouchat těmto symfoniím, těmto mozkovým symfoniím,

a pokusit se z nich získat zprávy, které přenášejí.

Konkrétně před 12 lety

jsme vytvořili zařízení, které jsme nazvali mozkovo-přístrojové rozhraní.

A zde je nákres popisující, jak funguje.

Tedy asi tak, že máme určité snímače, které detekují tyto bouře, tyto elektrické signály,

a zkoušíme, zda můžeme za stejnou dobu, jakou to této bouři

trvá vyrazit z mozku a dorazit až do nohou či paží zvířete --

asi tak půl sekundy --

zjišťujeme, zda jsme schopni tyto signály přečíst,

získat zprávy o pohybu, které jsou v nich obsaženy,

převést je v digitální příkazy

a poslat je do umělého zařízení,

které by reprodukovalo volní pohybový aparát tohoto mozku v reálném čase.

Chceme zjistit, zda můžeme měřit, jak dobře jsme schopni tuto zprávu zakódovat

v porovnání se způsobem, kterým to dělá tělo.

Dokonce jsme schopni poskytnout zpětnou vazbu,

smyslové signály, které se vracejí z tohoto robotického, mechanického, počítačového nástroje,

který je nyní pod kontrolou mozku,

zpět do mozku,

jak se s tím mozek vypořádá,

získávaje zprávy z umělého kusu přístroje.

A přesně to se nám podařilo před 10 lety.

Začali jsme se slavnou opicí jménem Aurora,

která se stala jednou z hvězd tohoto oboru.

A Aurora ráda hrála videohry.

A jak zde můžete vidět,

ráda používá joystick jako kdokoli z nás, jakékoli z našich dětí, ke hraní této hry.

A jako správný primát dokonce zkouší i podvádět ještě předtím, než odpoví správně.

Takže ještě předtím, než se terč, který má překřížit, zobrazí,

kurzorem kontrolovaným tímto joystickem

se Aurora snaží tento terč najít, ať už je kdekoli.

A když to takto dělá,

jelikož pokaždé, když přejede kurzorem přes tento terč,

dostane kapku brazilského pomerančového džusu.

A to vám můžu říct, že jakákoli opice pro vás udělá cokoli,

když dostane malou kapku brazilského pomerančového džusu.

Vlastně jakýkoli primát.

Popřemýšlejte o tom.

No a zatímco Aurora hrála tuto hru, jak jste viděli,

během několika tisíců pokusů za den,

s 97 procentní úspěšností a 350 mililitry pomerančového džusu,

my mezitím zaznamenáváme mozkové bouře produkované v její hlavě

a posíláme je do robotické paže,

která se učila reprodukovat pohyby, které dělala Aurora.

Protože hlavní myšlenkou bylo vlastně uvést do pochodu toto mozkovo-přístrojové rozhraní tak,

aby nakonec Aurora hrála hru silou pouhé myšlenky,

bez pomoci jejího vlastního těla.

Její mozkové bouře by tak kontrolovaly ruku,

která by pohybovala kurzorem a překřižovala terč.

A k našemu překvapení, přesně to Aurora dělala.

Hrála hru bez pohnutí vlastního těla.

Takže každá dráha kurzoru, kterou nyní vidíte,

je přesně tím prvním momentem, kdy se jí to podařilo.

To je přesně ten první moment,

kdy byl úmysl mozku oproštěn od fyzické domény těla primáta,

a byl schopen působit vně, v tom vnějším světě

pouze pomocí ovládání umělého zařízení.

A Aurora nadále hrála hru, nadále hledala malý terč

a dostávala pomerančový džus, který dostávat chtěla, po kterém toužila.

No, a to všechno díky tomu, že tehdy dostala novou paži.

Robotická paže, kterou vidíte pohybovat se 30 dní poté,

co jsme natočili ono první video, jež jsem vám ukázal,

je pod kontrolou Aurořina mozku

a pohybuje kurzorem tak, aby se dostal k terči.

A Aurora teď už ví, že dokáže tuto hru hrát pomocí této robotické paže,

ovšem stále neztratila schopnost stále používat své biologické paže k čemukoli, co se jí zamane.

Může se poškrábat na zádech, může poškrábat jednoho z nás, může hrát další hru.

V každém praktickém smyslu slova

Aurořin mozek začlenil toto umělé zařízení

jako rozšíření jejího těla.

Představa sebe sama, kterou má Aurora ve své mysli,

byla rozšířena o jednu další paži.

No, to se nám podařilo před 10 lety.

Teď se přesuňme o 10 let dopředu.

Právě loni jsme si uvědomili, že ani nepotřebujeme robotické zařízení.

Můžeme mít jen počítačové tělo, avatar, opičí avatar.

A ten můžete vlastně použít pro interakci s našimi opicemi,

nebo je můžete vytrénovat, aby začaly uvažovat ve virtuálním světě,

z pohledu první osoby tohoto avatara,

a používaly svůj mozek ke kontrole pohybů avatarových paží a nohou.

V zásadě jsme zvířata vytrénovali,

aby se naučila ovládat tyto avatary

a zkoumala objekty, které se objeví ve virtuálním světě.

A tyto všechny objekty vypadají totožně,

ale když avatar přejede po jejich povrchu,

pošlou elektrickou zprávu, která je úměrná miniaturní povrchové struktuře tohoto objektu,

která jde zpátky do mozku opice

zpravujíc mozek o tom, čeho se avatar dotýká.

A za pouhé čtyři týdny se mozek naučí zpracovat tyto nové podněty

a získá tak novou smyslovou dráhu -- jakoby nový, šestý smysl.

A nyní konečně mozek osvobozujeme,

protože mu dovolujeme rozesílat pohybové příkazy k rozhýbání tohoto avatara.

A zpětná vazba, která se vrací z avatara, je zpracována přímo mozkem

bez zapojení kůže.

Takže to, co zde vidíte, je plán tohoto úkonu.

Uvidíte v zásadě zvíře dotýkající se těchto tří terčů.

A ono musí vybrat jeden z nich, protože jen ten znamená odměnu,

pomerančový džus, který chtějí získat.

Musejí jej vybrat dotykem virtuální paže, paže, která neexistuje.

A přesně to dělají.

Toto je naprosté osvobození mozku

od fyzických omezení těla a pohybového aparátu při vjemové činnosti.

Zvíře kontroluje avatara k dotyku objektů.

A cítí povrchovou strukturu skrze přijímání elektrických signálů přímo do mozku.

A mozek se rozhoduje, který druh povrchu odpovídá odměně.

Popisky, které vidíte na videu, se opici nezobrazují.

A kromě toho, ony stejně anglicky číst neumějí,

takže jsou zde pouze proto, abyste věděli, že správný terč mění svou pozici.

I přesto jsou schopny jej najít skrze hmatové rozdíly,

a tak jej mohou stiskem vybrat.

Takže když se podíváme na mozky těchto zvířat,

na horním panelu vidíte seřazených 125 buněk

zobrazujících, co se stane s mozkovou aktivitou, mozkovými bouřemi,

tohoto vzorku neuronů v mozku,

když zvíře používá joystick.

A toto je obrázek, který zná každý neurofyziolog.

Základní rozřazení zobrazuje, že tyto buňky odpovídají za všechny možné směry.

Spodní obrázek ukazuje, co se stane, když se tělo přestane hýbat

a zvířata začnou ovládat buď robotické zařízení, nebo počítačového avatara.

Okamžitě po přenastavení našich počítačů

se mozková aktivita změní v reprezentaci tohoto nového nástroje,

jakoby byl také součástí těla primáta.

Mozek jej začlení tak rychle, jak jen dokážeme měřit.

To naznačuje, že naše vnímání sebe sama

nekončí poslední vrstvou kožního epitelu našich těl,

nýbrž končí poslední vrstvou elektronů v nástrojích, které ovládáme našimi mozky.

Naše housle, naše auta, naše kola, naše fotbalové míče, naše oblečení --

to všechno se začlení tímto nenasytným, úžasným, dynamickým systémem zvaným mozek.

Jak daleko s tím můžeme zajít?

No, v experimentu, který probíhal před pár lety, jsme došli až na hranici.

Měli jsme zvíře, které běhalo na pásu

v Duke University na východním pobřeží Spojených států,

vytvářeje mozkové bouře potřebné k pohybu.

A měli jsme robotické zařízení, robotického humanoida,

v japonském Kyotu, v laboratořích ATR,

který celý svůj život snil o tom být ovládán mozkem,

lidským mozkem, mozkem primáta.

Jde zde o to, že mozková aktivita produkovaná pohyby opice

byla posílána do Japonska, kde přiměla tohoto robota kráčet,

zatímco záznam tohoto kráčení byl zasílán zpět to Duke,

takže opice viděla nohy tohoto robota při pohybu přímo před sebou.

Takto byla odměňována ne tím, co dělalo její tělo,

nýbrž každým správným krokem robota na druhé straně zeměkoule

ovládaným její mozkovou aktivitou.

Je zajímavé, že tato zpáteční cesta okolo světa trvala o 20 milisekund méně,

než by této mozkové bouři trvalo opustit její hlavu, hlavu této opice,

a dorazit do jejího vlastního svalu.

Opice pohybovala robotem, který byl šestkrát větší, na druhé straně planety.

Toto byl jeden z experimentů, v němž byl robot schopen samovolně kráčet.

Toto je CB1 plnící si svůj sen v Japonsku

ovládán mozkovou aktivitou primáta.

Takže kam nás tohle všechno přivádí?

Co uděláme s veškerým tímto výzkumem,

kromě studia vlastností tohoto dynamického vesmíru, který máme mezi ušima?

Naším záměrem je vzít veškeré tyto znalosti a technologie

a vyzkoušet napravit jedno z nejhorších neurologických postižení, která ve světě máme.

Miliony lidí ztratily schopnost převést tyto mozkové bouře

do akce, do pohybu.

Přestože jejich mozky i nadále produkují tyto bouře představující pohyby,

tyto nemohou překročit bariéru vytvořenou přerušením páteře.

Takže naším záměrem je vytvořit spojku

s použitím těchto mozkovo-přístrojových rozhraní, které by četly tyto signály,

mozkové bouře většího rozsahu, které obsahují touhu znovu se hýbat,

spojit přerušení pomocí počítačového mikroinženýrství

a poslat je do nového těla, celého těla zvaného exoskeleton,

celý robotický oblek, který by se stal novým tělem pro pacienty.

A zde můžete zhlédnout obrázek vytvořený tímto sdružením.

Toto je neziskové sdružení zvané Walk Again Project [Projekt kráčej znovu]

který sdružuje vědce z Evropy

a odsud, ze Spojených států a Brazílie,

aby spolupracovali na vytvoření tohoto nového těla --

těla se stejnými umělými mechanismy,

které Auroře a jiným opicím dovolují používat tyto nástroje skrze mozkovo-přístrojové prostředí

a které nám dovoluje začlenit tyto nástroje, jež vytváříme a používáme každý den.

Doufáme, že tentýž mechanismus těmto pacientům dovolí

nejen znovu si představit pohyby, které chtějí provést

a převést je do pohybů tohoto nového těla,

ale také aby toto tělo bylo začleněno jako nové tělo ovládané mozkem.

Tedy před 10 lety mi bylo řečeno,

že se tohle nikdy nestane, že je to skoro nemožné.

A jako vědec vám mohu říci jediné,

vyrůstal jsem v jižní Brazílii v polovině 60. let

a sledoval jsem, jak nám pár šílenců tvrdilo, že půjdou na Měsíc.

Bylo mi pět let

a nikdy jsem nechápal, proč k tomu NASA nenajala kapitána Kirka a Spocka;

konec konců, byli v tom velmi zdatní --

ale jen vidět to jako dítě

mě přimělo věřit, jako mi má babička říkávala,

že "nemožné je jen možné,

v jehož realizaci někdo nevložil dost úsilí".

Takže mi bylo řečeno, že je nemožné přimět někoho kráčet.

A já si myslím, že dám raději na radu svojí babičky.

Děkuji vám.

(Potlesk)