Miguel Nicolelis: A monkey that controls a robot with its thoughts. No, really.

Translator: Timothy Covell Reviewer: Morton Bast

Traduttore: Silvia Colombo Revisore: Fabio Tabarroni Antonini

The kind of neuroscience that I do and my colleagues do

Il tipo di neuroscienza che facciamo io e i miei colleghi

is almost like the weatherman.

è come la meteorologia.

We are always chasing storms.

Siamo sempre a caccia di tempeste.

We want to see and measure storms -- brainstorms, that is.

Vogliamo vedere e misurare le tempeste -- le tempeste cerebrali.

And we all talk about brainstorms in our daily lives,

Tutti parliamo di tempeste di idee nelle nostre vite,

but we rarely see or listen to one.

ma è raro vederne o ascoltarne una.

So I always like to start these talks

Vorrei quindi iniziare questo talk

by actually introducing you to one of them.

presentandovene una.

Actually, the first time we recorded more than one neuron --

La prima volta in cui abbiamo registrato più di un neurone --

a hundred brain cells simultaneously --

un centinaio di cellule cerebrali allo stesso tempo --

we could measure the electrical sparks

misurando la scintilla elettrica

of a hundred cells in the same animal,

di un centinaio di cellule dello stesso animale,

this is the first image we got,

abbiamo ottenuto questa immagine,

the first 10 seconds of this recording.

i primi 10 secondi di questa registrazione.

So we got a little snippet of a thought,

Abbiamo ottenuto un piccolo frammento di un pensiero

and we could see it in front of us.

e potevamo vederlo davanti a noi.

I always tell the students

Dico sempre agli studenti

that we could also call neuroscientists some sort of astronomer,

che noi neuroscienziati potremmo anche definirci una sorta di astronomi,

because we are dealing with a system

perché abbiamo a che fare con un sistema

that is only comparable in terms of number of cells

che è comparabile, in termini di cellule, soltanto

to the number of galaxies that we have in the universe.

al numero di galassie nell'Universo.

And here we are, out of billions of neurons,

Dei miliardi di neuroni che abbiamo,

just recording, 10 years ago, a hundred.

ne abbiamo registrati un centinaio, 10 anni fa.

We are doing a thousand now.

Ora siamo arrivati ad un migliaio.

And we hope to understand something fundamental about our human nature.

Speriamo di capire qualcosa di fondamentale sulla natura umana.

Because, if you don't know yet,

Perché, se ancora non lo sapete,

everything that we use to define what human nature is comes from these storms,

tutto ciò che usiamo per definire la natura umana deriva da queste tempeste,

comes from these storms that roll over the hills and valleys of our brains

che scorrazzano per le colline e le valli dei nostri cervelli

and define our memories, our beliefs,

e definiscono i nostri ricordi, ciò in cui crediamo,

our feelings, our plans for the future.

i nostri sentimenti, i nostri progetti per il futuro.

Everything that we ever do,

Dietro a tutto ciò che facciamo,

everything that every human has ever done, do or will do,

tutto ciò che ogni umano ha mai fatto, fa o farà,

requires the toil of populations of neurons producing these kinds of storms.

ci sono popolazioni di neuroni che producono questa sorta di tempeste.

And the sound of a brainstorm, if you've never heard one,

Il suono di una tempesta cerebrale, se non l'avete

is somewhat like this.

mai sentito, somiglia un po' a questo.

You can put it louder if you can.

Si può anche alzare il volume se si riesce.

My son calls this "making popcorn while listening to a badly-tuned A.M. station."

Mio figlio lo chiama "fare i popcorn mentre si ascolta una stazione radio AM mal sintonizzata."

This is a brain.

Questo è un cervello.

This is what happens when you route these electrical storms to a loudspeaker

Questo è ciò che succede quando si ascoltano le tempeste elettriche con un altoparlante

and you listen to a hundred brain cells firing,

e si ascoltano un centinaio di cellule cerebrali accendersi;

your brain will sound like this -- my brain, any brain.

il vostro cervello farà questo rumore -- il mio cervello, ogni cervello.

And what we want to do as neuroscientists in this time

Come neuroscienziati, in questo momento vogliamo

is to actually listen to these symphonies, these brain symphonies,

ascoltare queste sinfonie cerebrali,

and try to extract from them the messages they carry.

e cercare di estrarre il messaggio che portano con sé.

In particular, about 12 years ago

In particolare, circa 12 anni fa

we created a preparation that we named brain-machine interfaces.

abbiamo creato un'interfaccia mente-macchina.

And you have a scheme here that describes how it works.

Questo è uno schema che descrive come funziona.

The idea is, let's have some sensors that listen to these storms, this electrical firing,

L'idea è: facciamo ascoltare ad alcuni sensori queste tempeste, questa attività elettrica,

and see if you can, in the same time that it takes

e vediamo se si può, nello stesso tempo in cui

for this storm to leave the brain and reach the legs or the arms of an animal --

questa tempesta lascia il cervello e raggiunge le gambe o le braccia di un animale

about half a second --

-- circa mezzo secondo --

let's see if we can read these signals,

leggere questi segnali,

extract the motor messages that are embedded in it,

estrarre i messaggi motori che veicolano,

translate it into digital commands

tradurli in comandi digitali

and send it to an artificial device

e inviarli a un dispositivo artificiale

that will reproduce the voluntary motor wheel of that brain in real time.

che riprodurrà in tempo reale il moto volontario di quel cervello.

And see if we can measure how well we can translate that message

Vediamo di misurare quanto bene riusciamo a tradurre quel messaggio

when we compare to the way the body does that.

rispetto a come lo fa il corpo.

And if we can actually provide feedback,

Vediamo se possiamo produrre un feedback:

sensory signals that go back from this robotic, mechanical, computational actuator

questo attuatore robotico, meccanico e di calcolo

that is now under the control of the brain,

che è sotto il controllo del cervello,

back to the brain,

gli rimanda segnali sensoriali.

how the brain deals with that,

[Vediamo] come fa il cervello a gestire il fatto di

of receiving messages from an artificial piece of machinery.

ricevere messaggi da una macchina artificiale.

And that's exactly what we did 10 years ago.

È ciò che abbiamo fatto 10 anni fa.

We started with a superstar monkey called Aurora

Abbiamo iniziato con una scimmia, di nome Aurora,

that became one of the superstars of this field.

che è diventata una superstar del settore.

And Aurora liked to play video games.

Ad Aurora piacevano i video game.

As you can see here,

Come potete vedere qui,

she likes to use a joystick, like any one of us, any of our kids, to play this game.

le piace usare il joystick per giocare, come a noi, ai nostri figli.

And as a good primate, she even tries to cheat before she gets the right answer.

E da buon primate, cerca anche di imbrogliare prima di dare la risposta giusta.

So even before a target appears that she's supposed to cross

Prima che appaia un bersaglio che lei deve intercettare

with the cursor that she's controlling with this joystick,

con il cursore che controlla con il joystick,

Aurora is trying to find the target, no matter where it is.

Aurora cerca di trovare il bersaglio, non importa dove sia.

And if she's doing that,

E se lo fa,

because every time she crosses that target with the little cursor,

è perché ogni volta che intercetta un bersaglio con il piccolo cursore,

she gets a drop of Brazilian orange juice.

ottiene un sorso di succo d'arancia brasiliano.

And I can tell you, any monkey will do anything for you

Vi assicuro: qualsiasi scimmia farebbe qualsiasi cosa per voi

if you get a little drop of Brazilian orange juice.

per un sorso di succo d'arancia brasiliano.

Actually any primate will do that.

A dire il vero, ogni primate lo farebbe.

Think about that.

Pensateci.

Well, while Aurora was playing this game, as you saw,

Mentre Aurora giocava, come avete visto,

and doing a thousand trials a day

e faceva un migliaio di tentativi al giorno

and getting 97 percent correct and 350 milliliters of orange juice,

vincendo nel 97% dei casi e ottenendo 350 millilitri di succo d'arancia,

we are recording the brainstorms that are produced in her head

noi registravamo le tempeste cerebrali prodotte nella sua testa

and sending them to a robotic arm

e le inviavamo a un braccio robotico

that was learning to reproduce the movements that Aurora was making.

che imparava a riprodurre i movimenti che Aurora stava facendo.

Because the idea was to actually turn on this brain-machine interface

L'idea era di accendere questa interfaccia neurale

and have Aurora play the game just by thinking,

e far giocare Aurora con il solo pensiero,

without interference of her body.

senza che il suo corpo si intromettesse.

Her brainstorms would control an arm

Le sue tempeste cerebrali avrebbero controllato un braccio

that would move the cursor and cross the target.

per muovere il cursore e intercettare il bersaglio.

And to our shock, that's exactly what Aurora did.

E, con nostra sorpresa, questo è esattamente ciò che Aurora ha fatto.

She played the game without moving her body.

Ha giocato senza muovere il suo corpo.

So every trajectory that you see of the cursor now,

Ogni traiettoria del cursore che potete vedere ora,

this is the exact first moment she got that.

corrisponde all'esatto momento in cui lo ha fatto lei.

That's the exact first moment

È il momento in cui

a brain intention was liberated from the physical domains of a body of a primate

l'intenzione di un cervello è stata liberata dal vincolo fisico del corpo di un primate

and could act outside, in that outside world,

e ha potuto agire all'esterno, nel mondo esterno,

just by controlling an artificial device.

solo controllando un dispositivo artificiale.

And Aurora kept playing the game, kept finding the little target

Aurora ha continuato a giocare, a trovare il piccolo obiettivo

and getting the orange juice that she wanted to get, that she craved for.

e a ottenere il succo di arancia per cui andava matta.

Well, she did that because she, at that time, had acquired a new arm.

Lo faceva perché aveva acquisito un nuovo braccio.

The robotic arm that you see moving here 30 days later,

Il braccio robotico che vedete muoversi, 30 giorni dopo,

after the first video that I showed to you,

dopo il video che vi ho mostrato prima,

is under the control of Aurora's brain

è sotto il controllo del cervello di Aurora

and is moving the cursor to get to the target.

che sta muovendo il cursore per colpire l'obiettivo.

And Aurora now knows that she can play the game with this robotic arm,

Aurora sa che ora può giocare con il suo braccio robotico,

but she has not lost the ability to use her biological arms to do what she pleases.

ma non ha perso l'abilità di usare il suo braccio biologico per fare ciò che vuole.

She can scratch her back, she can scratch one of us, she can play another game.

Può grattarsi la schiena, può grattare uno di noi, può giocare a un altro gioco.

By all purposes and means,

Sotto ogni profilo,

Aurora's brain has incorporated that artificial device

il cervello di Aurora ha incorporato quel dispositivo artificiale

as an extension of her body.

come un'estensione del suo corpo.

The model of the self that Aurora had in her mind

Il modello di sé che Aurora aveva in mente

has been expanded to get one more arm.

è stato esteso fino ad includere un braccio in più.

Well, we did that 10 years ago.

Tutto questo comunque, risale a 10 anni fa.

Just fast forward 10 years.

Andiamo avanti di 10 anni.

Just last year we realized that you don't even need to have a robotic device.

L'anno scorso abbiamo capito che non c'è neanche bisogno di un dispositivo robotico.

You can just build a computational body, an avatar, a monkey avatar.

Si può costruire un corpo al computer, un avatar, una scimmia avatar.

And you can actually use it for our monkeys to either interact with them,

E lo si può usare per interagire con le nostre scimmie,

or you can train them to assume in a virtual world

o si possono addestrare le scimmie ad assumere nel mondo virtuale

the first-person perspective of that avatar

la prospettiva personale di quell'avatar

and use her brain activity to control the movements of the avatar's arms or legs.

e usare la loro attività cerebrale per controllare i movimenti degli arti dell'avatar.

And what we did basically was to train the animals

Abbiamo addestrato gli animali

to learn how to control these avatars

a controllare questi avatar

and explore objects that appear in the virtual world.

e a esplorare gli oggetti del mondo virtuale.

And these objects are visually identical,

Questi oggetti sono visivamente identici,

but when the avatar crosses the surface of these objects,

ma quando l'avatar attraversa la superficie di questi oggetti

they send an electrical message that is proportional to the microtactile texture of the object

essi inviano un messaggio elettrico che è proporzionale alla consistenza dell'oggetto

that goes back directly to the monkey's brain,

che ritorna direttamente al cervello della scimmia,

informing the brain what it is the avatar is touching.

comunicando al cervello cosa l'avatar sta toccando.

And in just four weeks, the brain learns to process this new sensation

In sole 4 settimane, il cervello impara a gestire questa sensazione

and acquires a new sensory pathway -- like a new sense.

e acquisisce una nuova via sensoriale -- una specie di nuovo senso.

And you truly liberate the brain now

E così liberi davvero il cervello

because you are allowing the brain to send motor commands to move this avatar.

perché gli permetti di inviare comandi motori per muovere l'avatar.

And the feedback that comes from the avatar is being processed directly by the brain

Il feedback che deriva dall'avatar è gestito dal cervello

without the interference of the skin.

senza l'interferenza della pelle.

So what you see here is this is the design of the task.

Quello che vedete è il progetto del lavoro.

You're going to see an animal basically touching these three targets.

Vedrete un animale toccare questi tre obiettivi.

And he has to select one because only one carries the reward,

Ne deve scegliere uno, perché solo uno gli darà il premio,

the orange juice that they want to get.

il succo di arancia desiderato.

And he has to select it by touch using a virtual arm, an arm that doesn't exist.

Deve selezionarlo toccandolo con un braccio virtuale, un braccio che non esiste.

And that's exactly what they do.

E questo è esattamente ciò che fanno.

This is a complete liberation of the brain

È una completa liberazione del cervello

from the physical constraints of the body and the motor in a perceptual task.

dai vincoli fisici del corpo durante un compito percettivo.

The animal is controlling the avatar to touch the targets.

L'animale controlla l'avatar che tocca l'obiettivo.

And he's sensing the texture by receiving an electrical message directly in the brain.

Percepisce la consistenza ricevendo un messaggio elettrico al cervello.

And the brain is deciding what is the texture associated with the reward.

Il cervello decide qual è la consistenza associata al premio.

The legends that you see in the movie don't appear for the monkey.

Le legende che vedete nel video non appaiono alla scimmia.

And by the way, they don't read English anyway,

E comunque loro non leggerebbero l'inglese,

so they are here just for you to know that the correct target is shifting position.

quindi servono solo a voi per sapere che l'obiettivo corretto si sta spostando.

And yet, they can find them by tactile discrimination,

Ma loro riescono a trovarlo attraverso le differenze tattili,

and they can press it and select it.

e possono premere e selezionarlo.

So when we look at the brains of these animals,

Se guardiamo i cervelli di questi animali,

on the top panel you see the alignment of 125 cells

nella figura in alto vediamo l'allineamento di 125 cellule;

showing what happens with the brain activity, the electrical storms,

vediamo cosa succede all'attività cerebrale, alle tempeste elettriche,

of this sample of neurons in the brain

di questo campione di neuroni del cervello

when the animal is using a joystick.

quando l'animale sta usando un joystick.

And that's a picture that every neurophysiologist knows.

Questa è una figura che tutti i neurofisiologi conoscono.

The basic alignment shows that these cells are coding for all possible directions.

L'allineamento di base mostra che queste cellule stanno codificando per tutte le direzioni possibili.

The bottom picture is what happens when the body stops moving

La figura in basso mostra cosa succede quando il corpo smette di muoversi

and the animal starts controlling either a robotic device or a computational avatar.

e l'animale inizia a controllare o un dispositivo robotico o un avatar computazionale.

As fast as we can reset our computers,

Nel tempo in cui riavviamo i nostri computer,

the brain activity shifts to start representing this new tool,

l'attività del cervello cambia per inziare a rappresentare questo nuovo strumento,

as if this too was a part of that primate's body.

come se fosse una parte del corpo del primate.

The brain is assimilating that too, as fast as we can measure.

Anche il cervello lo sta assimilando, tanto velocemente quanto noi riusciamo a misurarlo.

So that suggests to us that our sense of self

Questo ci suggerisce che il nostro senso del sé

does not end at the last layer of the epithelium of our bodies,

non finisce all'ultimo strato di epitelio dei nostri corpi,

but it ends at the last layer of electrons of the tools that we're commanding with our brains.

ma all'ultimo livello di elettroni dello strumento che stiamo comandando con i nostri cervelli.

Our violins, our cars, our bicycles, our soccer balls, our clothing --

I nostri violini, auto, biciclette, palloni da calcio, vestiti --

they all become assimilated by this voracious, amazing, dynamic system called the brain.

vengono assimilati da questo sistema vorace, sorprendente e dinamico chiamato cervello.

How far can we take it?

Quanto in là possiamo spingerci?

Well, in an experiment that we ran a few years ago, we took this to the limit.

In un esperimento di qualche anno fa, lo abbiamo portato al limite.

We had an animal running on a treadmill

Un animale correva su un tapis roulant

at Duke University on the East Coast of the United States,

alla Duke University, costa est degli USA,

producing the brainstorms necessary to move.

producendo le tempeste cerebrali utili per muoversi.

And we had a robotic device, a humanoid robot,

C'era un dispositivo robotico, un androide,

in Kyoto, Japan at ATR Laboratories

a Kyoto, Giappone, ai laboratori ATR

that was dreaming its entire life to be controlled by a brain,

che sognava di essere controllato da un cervello,

a human brain, or a primate brain.

umano o di un primate.

What happens here is that the brain activity that generated the movements in the monkey

In questo caso l'attività del cervello che generava i movimenti della scimmia

was transmitted to Japan and made this robot walk

veniva trasmessa in Giappone e faceva camminare questo robot

while footage of this walking was sent back to Duke,

e il filmato della camminata veniva inviato alla Duke

so that the monkey could see the legs of this robot walking in front of her.

in modo che la scimmia potesse vedere le gambe del robot camminare davanti a lei.

So she could be rewarded, not by what her body was doing

Così poteva essere premiata, non per ciò che il suo corpo stava facendo

but for every correct step of the robot on the other side of the planet

ma per ogni passo corretto del robot dall'altra parte del pianeta

controlled by her brain activity.

controllato dalla sua attività cerebrale.

Funny thing, that round trip around the globe took 20 milliseconds less

È curioso che questo viaggio per il mondo abbia impiegato 20 millisecondi in meno

than it takes for that brainstorm to leave its head, the head of the monkey,

di quanto impieghi la tempesta cerebrale a lasciare la testa della scimma

and reach its own muscle.

e a raggiungere il suo muscolo.

The monkey was moving a robot that was six times bigger, across the planet.

La scimmia muoveva un robot 6 volte la sua stazza, dall'altra parte del pianeta.

This is one of the experiments in which that robot was able to walk autonomously.

Questo è uno degli esperimenti in cui quel robot è riuscito a camminare da solo.

This is CB1 fulfilling its dream in Japan

Questo è CB1 che realizza il suo sogno in Giappone,

under the control of the brain activity of a primate.

sotto il controllo del cervello di un primate.

So where are we taking all this?

Dove stiamo portando tutto questo?

What are we going to do with all this research,

Cosa facciamo di tutta questa ricerca,

besides studying the properties of this dynamic universe that we have between our ears?

oltre a studiare le proprietà di questo universo dinamico che abbiamo tra le orecchie?

Well the idea is to take all this knowledge and technology

L'idea è di prendere tutta questa conoscenza e tecnologia

and try to restore one of the most severe neurological problems that we have in the world.

e cercare di risolvere uno dei problemi neurologici più seri al mondo.

Millions of people have lost the ability to translate these brainstorms

Milioni di persone hanno perso l'abilità di tradurre queste tempeste cerebrali

into action, into movement.

in azioni e movimenti.

Although their brains continue to produce those storms and code for movements,

Sebbene i loro cervelli continuino a produrre queste tempeste e a codificarne i movimenti,

they cannot cross a barrier that was created by a lesion on the spinal cord.

non possono attraversare la barriera creata da una lesione al modollo spinale.

So our idea is to create a bypass,

La nostra idea è di oltrepassarla,

is to use these brain-machine interfaces to read these signals,

usare le interfacce neurali per leggere questi segnali,

larger-scale brainstorms that contain the desire to move again,

le tempeste cerebrali di più larga scala che contengono il desiderio di muoversi di nuovo,

bypass the lesion using computational microengineering

di scavalcare la lesione, con la microingegneria computazionale

and send it to a new body, a whole body called an exoskeleton,

e inviare i segnali a un nuovo corpo, un esoscheletro,

a whole robotic suit that will become the new body of these patients.

un vestito robotico che diventerà il nuovo corpo di questi pazienti.

And you can see an image produced by this consortium.

Potete vedere un'immagine prodotta da questo consorzio.

This is a nonprofit consortium called the Walk Again Project

È un consorzio non profit chiamato Walk Again Project

that is putting together scientists from Europe,

che sta mettendo insieme scienziati dall'Europa,

from here in the United States, and in Brazil

dagli Stati Uniti e dal Brasile

together to work to actually get this new body built --

per lavorare alla costruzione di questo nuovo corpo --

a body that we believe, through the same plastic mechanisms

un corpo che, crediamo, attraverso gli stessi meccanismi plastici

that allow Aurora and other monkeys to use these tools through a brain-machine interface

che permettono ad Aurora ed altre scimmie di usare questi strumenti con un'interfaccia neurale,

and that allows us to incorporate the tools that we produce and use in our daily life.

e a noi di incorporare gli strumenti che produciamo e usiamo nella nostra vita,

This same mechanism, we hope, will allow these patients,

speriamo che permettano a questi pazienti, attraverso gli stessi meccanismi,

not only to imagine again the movements that they want to make

non solo di immaginare i movimenti che vogliono fare

and translate them into movements of this new body,

e tradurli in movimenti di questo nuovo corpo,

but for this body to be assimilated as the new body that the brain controls.

ma anche di assimilare questo nuovo corpo come controllato dal cervello.

So I was told about 10 years ago

10 anni fa mi è stato detto

that this would never happen, that this was close to impossible.

che questo non sarebbe mai successo, che sarebbe stato quasi impossibile.

And I can only tell you that as a scientist,

Posso dire che, come scienziato,

I grew up in southern Brazil in the mid-'60s

sono cresciuto in Brasile a metà degli anni '60

watching a few crazy guys telling [us] that they would go to the Moon.

guardando un gruppo di matti che ci prometteva di andare sulla Luna.

And I was five years old,

Avevo 5 anni,

and I never understood why NASA didn't hire Captain Kirk and Spock to do the job;

e non capivo perché la NASA non avesse assunto per quel lavoro il capitano Kirk e Spock

after all, they were very proficient --

-- dopotutto, erano esperti --

but just seeing that as a kid

ma vederlo da bambino

made me believe, as my grandmother used to tell me,

mi ha fatto credere, come mi diceva mia nonna,

that "impossible is just the possible

che "l'impossibile è solo il possibile

that someone has not put in enough effort to make it come true."

che qualcuno non si è sforzato abbastanza di far diventare vero."

So they told me that it's impossible to make someone walk.

Mi è stato detto che è impossibile far camminare qualcuno:

I think I'm going to follow my grandmother's advice.

be', credo che seguirò il consiglio di mia nonna.

Thank you.

Grazie.

(Applause)

(Applausi)