夢回矩陣——在真實與虛幻之間

文/張雨晨

導言：

二十年前，20世紀的最后一年，《黑客帝國》橫空出世。也許一些年輕的讀者已經很難想象當時該片席卷全球的觀影和討論熱潮。但《黑客帝國》對當時觀眾的震撼，卻是實實在在地延續到了今天。

究竟是什么讓這部影片有著如此的魅力呢？

一、矩陣啟動

《黑客帝國》（Matrix）可能是被過度解讀最多的電影之一了。

自1999年上映以來，整整二十年間，如過江之鯽的職業影評人——以及數目再翻幾個數量級的海量觀眾——紛紛為這部驚世駭俗的電影貼上了各種紛繁復雜的標簽，從賽博朋克、存在主義到東方哲理甚至天啟宗教……不一而足。

不過，無論被如何解讀演繹，《黑客帝國》的本質依然是一部科幻電影。讓它從一眾特效大片中脫穎而出的關鍵，依然是其中的科幻內核。所有看完《黑客帝國》的人，幾乎都會在腦子里閃過一個疑問：

我們的世界，真的是“真的”嗎？

二、鏡花水月

“碼農”安德森發現自己所生活的世界可能是個電腦程序。

有關《黑客帝國》的所有討論，幾乎全都由此展開。

當接觸到神秘的女黑客崔妮蒂（Trinity，三位一體）之后，在黑客圈子里化名尼奧（Neo）的安德森逐漸意識到，那些潛伏在自己腦海深處的恐怖回憶，并非噩夢，而是這個世界神秘真相的冰山一角。

在面見了這伙黑客的首領墨菲斯（Morpheus，睡夢之神）后，尼奧終于明確了世界的真實面貌——真實從未存在，整個世界都不過是超級電腦“矩陣（Matrix）”為人類生成的虛擬現實。而這些有著驚人身手的黑客，實際上都是反抗“矩陣”統治的人類義軍。

對于“虛擬現實”的描寫演繹，自小說《真名實姓》開始，就是科幻藝術中一抹獨具魅力的異色風景。從《神經浪游者》《雪崩》《副本》《攻殼機動隊》一直到近年大熱的《刀劍神域》，科幻藝術對人類意識潛入數據海洋后的種種可能，進行著天馬行空的精彩想象。

回到《黑客帝國》。尼奧在正式入伙義軍之后，通過后腦上的腦機接口，以近乎電腦下載程序的驚人效率，在極短的時間里學會了全套的戰斗技巧。當他在“矩陣”內經歷了與“殺毒軟件”史密斯特工的殊死搏斗之后，甚至覺醒了可以直接看破虛擬世界運轉代碼的“天眼”，成為了能夠飛天遁地、手接子彈的“開掛”超人。

誠然，電影中這些至今看來依然酷得沒邊的戰斗場面，都是對虛擬現實世界的藝術演繹；但這樣精彩的虛擬世界，究竟什么時候才能實現？在不少科幻作品中，哪怕是社會環境與我們所處當下大同小異的近未來，虛擬世界都已經對人類敞開了大門。

不過，在被自然規律統治的現實世界，人類一廂情愿的幻想并不能按照幻想藝術的演繹來發展。從目前的科學研究看，構建虛擬世界的工程，遠比科幻作品所想象的要復雜。

我們的人腦是一個由大約80億—90億神經元（Neuron）連接形成的超級神經網絡。雖然每一個神經元都只能對傳入的信號進行相對簡單的反應，但正如一塊塊結構簡單的大理石可以建成最繁復壯麗的大教堂一樣，當這些神經元以驚人的數量和復雜度組合在一起時，名為“知覺”甚至“意識”的存在，就開始從神經網絡的深淵中涌現而出。

也正因為有著這樣的神經基礎，我們的意識從形成到消散，都只能存在于大腦利用感覺器官輸入信號所模擬出來的“虛擬世界”中。對于我們的大腦來說，《黑客帝國》所擔憂的“缸中之腦”問題，實際上根本不是個問題——只要你能向大腦輸入恰當的信息，我們的意識就根本不會去分辨虛擬與現實的差異。因為不管多么復雜“玄妙”的思維活動，歸根結底也只是大腦皮層里一些神經元的電化學活動罷了，而支持它們存在的信息基礎，都不過是感覺皮層中另一些神經元用于表征外部刺激的另一些電化學活動罷了。

正是由于我們的感覺和思維都有著這樣的神經基礎，因此在理論層面上，構建虛擬世界還算是個完全可行的計劃。然而當這個夢想“實裝”到現實層面后，隨之而來的技術問題就足以難倒所有的神經科學家和設備工程師：

怎么向大腦輸入這些信息？

一種辦法是像《雪崩》與《玩家1號》（電影《頭號玩家》原著）那樣，通過立體目鏡等外部設備，利用人體原本的感覺器官來構建虛擬現實世界。

目前炒得火熱的VR（Virtual Reality）眼鏡，就是這些科幻設想“變現”后的產物。雖然號稱可以讓人“身臨其境”，但VR眼鏡說穿了也不過是一種利用雙眼立體視覺原理來欺騙感官于一時的戲法，使用時間稍長就容易讓大腦出現認知錯誤，產生眩暈。因此，直接向人類感覺器官中輸入虛擬信息的方案，雖然在技術上相對容易實現，但是即便沿著這個思路繼續發展到電影《頭號玩家》中那樣全身披掛感官模擬設備的水平，還是無法讓沉浸游戲中的玩家們真正做到“樂不思蜀”。

究其原因，就在于人類的感官在漫長的演化中，已經被復雜的自然環境反復打磨，對輸入信息的內容高度挑剔。以視覺皮層為例，不同皮層區域、不同層級的海量神經元，形成了種類繁多的特征過濾器，可以高效地完成對輸入信息的編碼加工和特征處理。因此，一張在理論上信息量極大、內容非常復雜的自然圖片，往往只會在視覺皮層里激活為數有限的少數神經元。我們所看到的“現實”，實際上都是感覺皮層通過篩選出的關鍵特征“腦補（計算）”出來的“虛擬現實”。而想要在如此精密的特征篩選器眼皮子底下瞞天過海，僅僅是一味地增強硬件性能，顯然是沒戲的。

那么如果像《黑客帝國》《攻殼機動隊》或者《刀劍神域》那樣直接向大腦輸入信息呢？

很不幸的是，雖然這種思路在理想環境下確實可以精確刺激感覺系統中的神經元，從而構建一個以假亂真的虛擬現實世界，但是實際情況卻依然比想象要復雜許多。

首要的難題，就是對神經元們進行“摸底排查”，從而鎖定刺激信息的投送目標。

在對大腦感覺皮層研究的早期，科學家們往往采用電極記錄的方式，來探究神經元對外界刺激的特征偏好。這些精密的電極，有的是包裹著絕緣層的金屬絲，只在末梢露出最多幾微米的裸露金屬探頭；還有一些，則是被拉成細絲的玻璃管，內部灌滿了導電溶液。至于《黑客帝國》里那些用堪比加油槍的巨型鋼錐直接“懟”進后腦接口的“腦后插管”場面，就完全是為畫面表現力服務的藝術想象了。

不過，即便現實中的電極比電影里精細了不只百倍，單獨一根電極也只能夠最多同時記錄到鄰近尖端的幾個神經元。就算采用“排槍戰術”，把幾十上百根電極組成一個陣列扎進大腦里，能夠同時“監聽”到的神經元信號，也不過百十個而已。如此稀少的樣本量，相比于神經元的龐大基數來說只能算是九牛一毛。

所幸，隨著科學與技術的發展，科學家們擁有了探索大腦奧秘的全新工具——雙光子顯微鏡。這種頗為昂貴的精密設備，可以通過向轉染了熒光蛋白的生物組織照射激光，從而觀察所激發的生物熒光，并以此判斷神經元的活動。這個過程雖然看起來頗為復雜，但從原理上講，卻并沒有看起來那么復雜：

正常情況下，當某些原子被光子擊中后，圍繞原子核的電子就會吸收光子的能量進入激發態，但是，高能狀態的電子并不穩定，往往會在很短的時間就落回原本的狀態。而這個過程中電子所丟失的能量，依然會以光子的形式釋放。這個由被激發原子產生的光子，就是所謂的“熒光”。

顯然，根據能量守恒定律，熒光的光子能量不可能大于激發光，而波長也因此會相應地更長一些。所以，如果我們想要得到更強的熒光信號，那就需要使用能量盡可能高的激光去照射組織，從而獲得更優質的成像結果。但這樣一來，強烈的激光就很容易損傷被照射的組織，而且較短的波長也容易在生物組織中散射，削減了透視的深度。

幸運的是，宇宙間的物理法則給我們留了個“后門”。科學家們在研究中偶然間發現，如果兩個激發光子在極短時間內幾乎同時擊中一個原子，那么這個原子釋放的熒光能量就會突破單個激發光子的能量上限，僅僅略小于二者能量之和。雙光子顯微鏡中的飛秒激光器，可以在極短時間內以極高頻率聚集發射密集的長波長光子，在維持較低平均輸出能量的前提下，大幅提高了這種小概率事件發生的可能，從而在盡量不損傷大腦的情況下，獲得熒光信號很強的成像結果。

那下一步的問題，就是如何把熒光和神經元電活動之間搭上關系了。

此時，大自然再次給我們準備了一條通路。

生物學的研究發現，在機體的各種細胞內，鈣離子都是重要的細胞內信號，發揮著非常關鍵的作用。而在神經元中，當細胞興奮放電時，其內部的鈣離子濃度會迅速上升十幾甚至上百倍。

在發現了鈣離子濃度與神經元活動之間的嚴格對應關系后，科學家們利用這一現象，構建出了對鈣離子濃度敏感的熒光蛋白——鈣離子指示劑。隨后，科學家們通過病毒載體將鈣離子指示劑轉入神經元內部。從此，我們就可以通過熒光信號強度來衡量神經元細胞內的鈣離子濃度，并進一步推斷其電活動狀態。經過這么一番操作的神經元，在雙光子顯微鏡下就成了一旦“通電”就會亮起熒光的“電燈泡”。

集成了這樣環環相扣的一系列技術后，雙光子顯微鏡的性能自然非常驚人，可以在一次實驗中同時監測觀察視野內幾百甚至上千個神經元的活動。如此一來，科學家對大腦的研究效率就大大提高了。大腦內包括視覺認知在內的很多復雜神經機制，都在雙光子顯微鏡下一點一點地褪去了神秘的面紗。

那么接下來的問題，就是如何給它們合適的刺激了。

電極雖然可以通過放電來刺激神經元，但這種刺激就像在大腦中引爆了一顆小小的電磁脈沖炸彈，會同時波及靠近電極尖端的一整片神經元，缺少足夠的特異性。幸運的是，科學家們在本世紀研發出了全新的“光遺傳”技術，通過基因工程的手段，為神經元裝上靈敏的“光控開關”——視蛋白，從而使其可以被激光照射精確地激發（或者抑制）電活動。

歷經了幾十年的技術發展，人類終于擁有了可以細致觀察大腦的“慧眼”，以及可以精確控制神經元的“巧手”。

那么虛擬現實的大門是不是就此向人類敞開了呢？

事情遠遠沒有那么簡單。

現實中的電極如果要記錄到神經元，就需要通過開顱手術將其埋置進大腦之中。同時，就目前的電極技術而言，處理信息的“帶寬”也很不理想。至于雙光子顯微鏡和光遺傳技術，同樣也無法隔著顱骨監控神經元，一樣需要在腦袋上“開天窗”——也就是安裝類似宇宙飛船舷窗的觀察窗口，而且得事先在選定的腦區注射攜帶有鈣離子指示劑或者視蛋白基因的病毒，甚至可以對實驗動物直接進行基因工程的改造。此外，對于比較深層的神經結構，目前的雙光子顯微鏡還是沒法“看透”的，依然需要使用傳統的電極來記錄神經元的活動。

正因為這些技術必然會伴隨著無法完全避免的手術和感染風險，所以它們主要的應用對象還是各種實驗動物，除了極少數情況外，基本不會用在人類身上。

而另一方面看，目前所有這些技術，即便在最理想的情況下，也距離科幻作品中的神奇效果相去甚遠。對上萬上億規模的海量神經元進行實時的同步監測與調控，目前依然是一個完全無從規劃設想的夢幻領域，其實現難度，甚至可能不亞于建造恒星際宇宙飛船。

至于《刀劍神域》里那樣直接戴上黑科技頭盔就進入虛擬世界的設定，在技術上就更加難以實現了。不管是腦電圖、功能核磁共振還是經顱磁刺激，現實中對人腦神經活動的無創檢測與干預，都因為神經信號本身的微弱，以及顱骨和頭皮的巨大阻隔，而在空間和時間分辨精度上不甚理想，只能大體上觀察并調控一些腦區級的大規模神經活動，更談不上精確的觀察和控制了。

而且更令人喪氣的是，不管人機交互技術在可預見的范圍內如何發展改良，尼奧他們通過“腦后插管”實現的超高速學習，還是違背了人腦神經系統的基本學習原理——大腦對新事物的學習和記憶，本質上是在表征對應概念的神經元群體之間構筑起穩定的神經連接，想要用短短幾秒鐘就在大腦里建立起全新的大規模神經環路，顯然是極其困難的。

夢幻一般的虛擬世界，目前依然是鏡花水月的幻想。

三、虛實之間

現實如果難以接入虛擬，但虛擬未必不能照進現實。

就在我們慶祝勞動節時，大洋彼岸麻省理工學院的科學家們，在頂級學術期刊《科學》上發表了一篇同時震撼了神經科學與人工智能兩個領域的交叉研究，為人機交互領域開辟了全新的可能。

這一次，科學家們用上了在《黑客帝國》中與人類“相愛相殺”的“大反派”——人工智能。

這個驚人的研究，先是用100萬張自然圖片在電腦里訓練出了一個擅長圖像識別的人工神經網絡。隨后，科學家們把這個人工神經網絡和直接在獼猴大腦里觀察到的視覺皮層神經元反應進行了比較，將其中的虛擬神經元節點與大腦中的真實神經元進行了數學上的映射。換言之，這些科學家們用人工神經網絡模擬并預測了猴子大腦內一部分視覺皮層神經元的活動規律。

隨后，這些科學家通過分析人工神經網絡的結構，用計算機合成出了一系列看起來稀奇古怪但對于特定人工神經網絡中虛擬的神經元來說“正中靶心”的“控制刺激”。在隨后的動物實驗里，當猴子們從計算機屏幕上看到這些仿佛抽象畫的玩意時，科學家們欣喜地發現，它們視覺皮層中的大部分神經元都“毫無波動”，但極少數神經元卻呈現出了非常強烈的反應，與人工神經網絡上模擬預測的結果基本一致。

如此一來，人類就可以利用人工神經網絡計算出的結果，直接使用與生俱來的視覺通路，來對大腦皮層特定的神經元或神經元群體的活動進行精確的控制。

《雪崩》與《黑靈》中直接利用視覺信息來精確控制大腦的幻想，開始逐步成為現實。也許在不遠的未來，基于現有研究的全新虛擬現實技術，就將為人類打開通往無盡幻想鄉的大門。

誠然，正如《黑客帝國》中那個黑暗未來所警示的那樣，面對突飛猛進的科學與技術發展——尤其是與人類自身認知活動有關的科技發展——人類確實有責任去防止自己玩火自焚。但正如我們的先祖最終學會了用火，并因此始在智能演化的道路上開始驚人的加速發展一樣，面對新一代的科技革命，我們同樣需要喚醒先祖銘刻在我們基因中的好奇、審慎與勇氣，擎起科學的火炬，帶著對自然規律的敬畏，一步一步地邁向未來。

[責任編輯：劉維佳]