Miguel Nicolelis談用思考控制機器人的猴子-萬分不假

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

我們是否能用大腦直接控制機器-不需以身體為媒介?Miguel Nicolelis藉由一個驚人的實驗,講述一隻身處美國的聰明猴子,學習控制猴子的數位化身,然後僅藉由思考,控制身處日本的機器人手臂。這項研究對四肢癱瘓者-也許對所有人-都有很大影響。(攝於TEDMED2012)

講者介紹

Miguel Nicolelis

Miguel Nicolelis探索腦機介面的極限。

在杜克大學Nicolelis實驗室中,Miguel Nicolelis最著名的開創性研究為神經元群體編碼,腦機介面(BMI),及人類患者和非人類靈長動物的神經輔助裝置。但他的實驗室也開發了一種整合方法,研究神經和精神疾病,包括帕金森症和癲癇。他們希望這個方法能整合同一隻動物的分子、細胞、系統和行為數據,使人們更全面性地瞭解神經生理性質的變化與這些疾病的關聯。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Miguel Nicolelis談用思考控制機器人的猴子-萬分不假

  • 我和同事們所做的神經科學研究,幾乎就像天氣預報員的工作。我們總是追逐風暴,我們希望目睹及測量風暴-我指的是腦風暴。我們平日總是談論腦風暴,但幾乎不曾實際目睹或聽聞,所以我總喜歡以其中一個實例作為演講的開場白。

    事實上,我們首次記錄超過一個神經元-同時記錄一百個腦細胞-我們可以測量同一隻動物的一百個腦細胞電波。這是我們首次紀錄的圖像-前10秒的圖像紀錄。因此我們有了一些想法,我們可以將它呈現在眼前。

    我總是告訴學生,我們也可將神經科學家視為某種天文學家,因為我們處理的系統,以細胞數量來說,是唯一能媲美宇宙中星系數量的系統,其中存在超過十億個神經元。10年前,我們僅記錄到其中100個,現在我們可記錄到1000個。我們希望瞭解人類特質的基本面,因為-如果你還不知道-我們定義的一切人類特質均來自於這些風暴,來自這些在大腦中四處穿梭的風暴,它定義了我們的記憶、我們的信念、我們的感覺、我們未來的計劃、我們曾經做過的一切。每個人曾經做過、正在做或即將做的一切,需要眾多神經元賣力地產生這種風暴。

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  • 腦風暴的聲音-如果你不曾聽過-類似這樣,你可以將它放大,我兒子稱之為:「一邊做爆米花,一邊聽頻道未調準的AM電台。」這是大腦,這是當你將電波風暴以擴音器放大時的情況。你聽見的是一百個腦細胞發出的聲音,你的大腦會發出這樣的聲音-我的大腦、任何人的大腦皆是。身為神經科學家的我們,目前想做的就是實際聆聽這些交響樂-大腦演奏的交響樂,試著擷取它們所攜帶的訊息。

    尤其是,大約12年前,我們創造了一個名為腦機介面的裝置,這是一張說明其運作方式的流程圖。其中的想法是,我們使用一些感應器聆聽這些風暴、這些電波,觀察是否能在風暴離開腦部、抵達某隻動物的腿或手臂的同時-大約需要半秒時間-觀察是否能讀取這些訊號,擷取其中嵌入的動作訊息,將它轉譯成數位指令,發送到一個人工裝置中,即時重現大腦自主運動的情況;觀察是否能測量訊息轉譯程度,當我們將它與身體實際運動情形比較時。

    如果我們確實得到回饋機制-即此時在大腦控制下,由機器人、機械或計算執行裝置傳回的感覺訊號;觀察大腦如何處理回傳的訊號,如何處理來自人工機械裝置的訊息。

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  • 這正是我們10年前進行的研究。我們首先以一隻名為Aurora的明星猴進行實驗,她已成為這個領域的超級巨星之一。Aurora喜歡玩電子遊戲,如你們在圖中所見,她喜歡使用搖桿,就像任何人、任何孩子一樣地玩這個遊戲。身為聰慧的靈長類動物,她甚至試著在得到正確答案前做假動作,因此,甚至在目標出現之前,她已試著用搖桿控制的游標劃過螢幕。Aurora試著尋找目標,無論它在何處。如果她這麼做-因為每當她將小游標劃過目標,就能得到一滴巴西橙汁。我可以告訴大家,猴子會為你做任何事,只要你給牠一小滴巴西橙汁。事實上,任何靈長類動物皆是如此,想想這一點。

    好,當Aurora玩這個遊戲時,如各位所見,每天重複上千次,獲得97 %正確率和350毫升橙汁,我們記錄她大腦中產生的腦風暴,將它傳送到機械臂中,讓它學習重現Aurora所做的動作。因為其中的想法是,確實將這個腦機介面開啟,讓Aurora僅藉由思考進行這個遊戲,不需以她的身體為媒介。她的腦風暴將控制機械臂,使游標移動,劃過目標。令我們震驚的是,這正是Aurora所做的。她不需移動身體,即可進行這個遊戲。

    因此,現在你所見的每一道游標移動軌跡-這正是她首次成功的一刻。這是史上第一次,靈長類動物體內釋放的大腦意志能表現在外,顯露於體外的世界,僅藉由控制某種人工裝置。Aurora持續地玩這個遊戲,持續地尋找這個小目標,得到她想要且渴望的橙汁。

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  • 好,她這麼做的原因是,就在那時,她獲得一條新手臂。你在影片中所見的移動機械臂,拍攝於我展示的第一部影片後30天。它在Aurora大腦控制下,將游標移動到目標上。Aurora現在知道,她可以利用這條機械臂玩遊戲,但她並未失去使用原有手臂的能力,進行她想做的事。她可以抓背,可以抓我們當中任何一人,她可以玩其他遊戲。總之,Aurora的大腦已和那個人工裝置融為一體,將它視為身體的延伸物。Aurora腦海裡的自我模型已獲得延伸,得到另一隻手臂。

    好,這是我們10年前的研究,只是迅速回顧一下10年前的進展。去年我們發現,你甚至不需使用機械裝置,你可以建構一個數位身體,一個化身,一個猴子化身。事實上,你可以讓猴子與它互動,或在虛擬世界中訓練它,以化身呈現第一人稱視角,利用她大腦的活動,控制化身的手臂或腿部動作。

    基本上,我們所做的是訓練動物學習如何控制這些化身,探索出現在虛擬世界中的物體。這些物體外觀相同,但當化身劃這些物體表面時,它們將傳送與物體表面紋理相應的電波訊息,直接傳回猴子的大腦,通知大腦化身所接觸的是什麼。在短短4週內,大腦學習處理這種新感覺,獲得全新的感知途徑,就像一種新感官。現在,你真正解放了大腦,因為你使大腦發送動作指令,移動這個化身;大腦直接處理來自化身的回饋訊號,不需以皮膚為媒介。

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  • 你所見的圖片是這項任務的設計。基本上,你會看見動物觸摸這三個目標。牠必須選擇其中之一,因為只有一個帶有獎勵,即牠們想得到的橙汁。牠必須藉由虛擬手臂的觸摸進行選擇,一隻不存在的手臂。這正是牠們所做的。

    這是大腦完全從身體的生理限制解放,進行知覺任務中的動作。動物控制化身、觸摸目標,藉由直接進入大腦的電波訊號感知紋理,大腦決定何種紋理帶有獎勵。你在電影中所見的傳說不會出現在猴子身上。順帶一提,牠們根本看不懂英語,因此這些文字只是為了讓你們知道,正確目標的位置不斷移動,但牠們可藉由觸覺差異找到正確目標,牠們可藉由按壓進行選擇。

    因此,當我們觀察這些動物的大腦,上方圖表是由125個細胞組成的陣列,顯示在這個例子中,當動物使用搖桿時,隨著大腦活動,大腦中的神經元所產生的電波風暴。這是每位神經生理學家都熟知的圖表,這個基本陣列顯示這些細胞對應的所有可能方向。下方圖表是當身體停止移動,動物開始控制機械裝置或數位化身時的情形。如同重啟電腦般迅速地,大腦的活動開始轉移到這項新工具,彷彿它也是這隻靈長類動物身體的一部分,大腦也如同我們測量般迅速地與其融為一體。

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  • 因此,這讓我們瞭解,我們的自我意識並非終止於身體最外層的上皮細胞,而是終止於我們大腦控制的工具之最外層電子。我們的小提琴、汽車、自行車、足球和服裝,全都被這個貪婪、驚人、名為大腦的動態系統同化。

    我們能將這項研究發展到什麼程度?好,在幾年前所做的一個實驗中,我們將這項研究發展到極限。我們讓一隻動物在美國東岸杜克大學的跑步機上跑步,產生足以傳送的腦風暴。我們在日本京都的ATR實驗室使用一個機械裝置,一個人形機器人,它畢生的夢想就是藉由大腦的控制行動-人類的大腦或靈長類動物的大腦。

    圖中所示的情形是,由猴子大腦活動產生的動作傳送到日本,使機器人行走,行走的畫面同時傳回杜克大學,因此猴子可以看見機器人的腿在她面前行走。她可以得到獎勵,不是因為她身體的動作,而是因為在她大腦活動的控制下,使地球另一端的機器人踏出的每一個正確步伐。

    有趣的是,這趟來回繞行大半個地球的旅程,所耗時間比腦風暴離開猴子大腦、抵達牠本身肌肉所耗時間少了20毫秒。猴子使遠在地球另一端、體型比牠大6倍的機器人移動,這是使機器人自主行走的實驗之一。CB1(機器人名稱)在日本實現了夢想-在靈長類動物的大腦活動控制下。

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  • 那麼,我們將如何發展這一切?我們將如何應用這些研究?除了研究這個位於兩耳之間的動態宇宙性質?好,我們的想法是,利用這所有的知識和技術,試著修復世上最嚴重的神經問題之一。數百萬人已失去將這些腦風暴轉譯成動作的能力,雖然他們的大腦持續產生這些風暴和動作代碼,但它們無法跨越某種脊髓病變產生的障礙。

    因此,我們的想法是,創造另一條路徑,利用腦機介面讀取訊號,讀取大規模的腦風暴,包括再次行動的渴望,藉由微型電子裝置,繞過病變處,將訊號傳送到一個新身體-一個稱為外骨骼的新身體,一件將成為病患新身體的機械服。

    你可以看見這個組織提供的圖片,這是一個名為「再次行走計畫」的非盈利組織,集合來自歐洲、美國和巴西的科學家,共同合作,實際建造這個新身體。我們相信,藉由如圖中的塑膠裝置,可使Aurora和其他猴子藉由腦機介面使用這些工具,也可使我們與日常生活工具融為一體。我們希望,同樣的裝置能使這些病患不僅是再次想像他們希望做到的動作,將其轉譯為這個新身體的動作,也能使這個身體成為大腦所控制新身體。

    因此,大約10年前,有人告訴我,這個想法永遠不會成真,這幾乎是不可能的任務。我只能告訴你,身為科學家,我於60年代中期在巴西南部長大,目睹一些瘋狂的傢伙說,他們要前往月球。當時5歲的我,無法理解NASA為何不聘請寇克艦長和史巴克做這項工作,畢竟他們非常專業。但身為孩子的我,僅是目睹這一切,就足以相信,如祖母經常告訴我的:「所謂的不可能,很可能只是某人並未盡力實現夢想。」

    因此,當有人告訴我,不可能使某人恢復行走能力時,我想我會聽從祖母的忠告。

    謝謝。

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