夢(mèng)回矩陣——在真實(shí)與虛幻之間

文/張雨晨

導(dǎo)言：

二十年前，20世紀(jì)的最后一年，《黑客帝國(guó)》橫空出世。也許一些年輕的讀者已經(jīng)很難想象當(dāng)時(shí)該片席卷全球的觀影和討論熱潮。但《黑客帝國(guó)》對(duì)當(dāng)時(shí)觀眾的震撼，卻是實(shí)實(shí)在在地延續(xù)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(dòng)

《黑客帝國(guó)》（Matrix）可能是被過(guò)度解讀最多的電影之一了。

自1999年上映以來(lái)，整整二十年間，如過(guò)江之鯽的職業(yè)影評(píng)人——以及數(shù)目再翻幾個(gè)數(shù)量級(jí)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(fù)雜的標(biāo)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(guò)，無(wú)論被如何解讀演繹，《黑客帝國(guó)》的本質(zhì)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(guān)鍵，依然是其中的科幻內(nèi)核。所有看完《黑客帝國(guó)》的人，幾乎都會(huì)在腦子里閃過(guò)一個(gè)疑問(wèn)：

我們的世界，真的是“真的”嗎？

二、鏡花水月

“碼農(nóng)”安德森發(fā)現(xiàn)自己所生活的世界可能是個(gè)電腦程序。

有關(guān)《黑客帝國(guó)》的所有討論，幾乎全都由此展開(kāi)。

當(dāng)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(shí)到，那些潛伏在自己腦海深處的恐怖回憶，并非噩夢(mèng)，而是這個(gè)世界神秘真相的冰山一角。

在面見(jiàn)了這伙黑客的首領(lǐng)墨菲斯（Morpheus，睡夢(mèng)之神）后，尼奧終于明確了世界的真實(shí)面貌——真實(shí)從未存在，整個(gè)世界都不過(guò)是超級(jí)電腦“矩陣（Matrix）”為人類生成的虛擬現(xiàn)實(shí)。而這些有著驚人身手的黑客，實(shí)際上都是反抗“矩陣”統(tǒng)治的人類義軍。

對(duì)于“虛擬現(xiàn)實(shí)”的描寫(xiě)演繹，自小說(shuō)《真名實(shí)姓》開(kāi)始，就是科幻藝術(shù)中一抹獨(dú)具魅力的異色風(fēng)景。從《神經(jīng)浪游者》《雪崩》《副本》《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》一直到近年大熱的《刀劍神域》，科幻藝術(shù)對(duì)人類意識(shí)潛入數(shù)據(jù)海洋后的種種可能，進(jìn)行著天馬行空的精彩想象。

回到《黑客帝國(guó)》。尼奧在正式入伙義軍之后，通過(guò)后腦上的腦機(jī)接口，以近乎電腦下載程序的驚人效率，在極短的時(shí)間里學(xué)會(huì)了全套的戰(zhàn)斗技巧。當(dāng)他在“矩陣”內(nèi)經(jīng)歷了與“殺毒軟件”史密斯特工的殊死搏斗之后，甚至覺(jué)醒了可以直接看破虛擬世界運(yùn)轉(zhuǎn)代碼的“天眼”，成為了能夠飛天遁地、手接子彈的“開(kāi)掛”超人。

誠(chéng)然，電影中這些至今看來(lái)依然酷得沒(méi)邊的戰(zhàn)斗場(chǎng)面，都是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)世界的藝術(shù)演繹；但這樣精彩的虛擬世界，究竟什么時(shí)候才能實(shí)現(xiàn)？在不少科幻作品中，哪怕是社會(huì)環(huán)境與我們所處當(dāng)下大同小異的近未來(lái)，虛擬世界都已經(jīng)對(duì)人類敞開(kāi)了大門。

不過(guò)，在被自然規(guī)律統(tǒng)治的現(xiàn)實(shí)世界，人類一廂情愿的幻想并不能按照幻想藝術(shù)的演繹來(lái)發(fā)展。從目前的科學(xué)研究看，構(gòu)建虛擬世界的工程，遠(yuǎn)比科幻作品所想象的要復(fù)雜。

我們的人腦是一個(gè)由大約80億—90億神經(jīng)元（Neuron）連接形成的超級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。雖然每一個(gè)神經(jīng)元都只能對(duì)傳入的信號(hào)進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的反應(yīng)，但正如一塊塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大理石可以建成最繁復(fù)壯麗的大教堂一樣，當(dāng)這些神經(jīng)元以驚人的數(shù)量和復(fù)雜度組合在一起時(shí)，名為“知覺(jué)”甚至“意識(shí)”的存在，就開(kāi)始從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深淵中涌現(xiàn)而出。

也正因?yàn)橛兄@樣的神經(jīng)基礎(chǔ)，我們的意識(shí)從形成到消散，都只能存在于大腦利用感覺(jué)器官輸入信號(hào)所模擬出來(lái)的“虛擬世界”中。對(duì)于我們的大腦來(lái)說(shuō)，《黑客帝國(guó)》所擔(dān)憂的“缸中之腦”問(wèn)題，實(shí)際上根本不是個(gè)問(wèn)題——只要你能向大腦輸入恰當(dāng)?shù)男畔ⅲ覀兊囊庾R(shí)就根本不會(huì)去分辨虛擬與現(xiàn)實(shí)的差異。因?yàn)椴还芏嗝磸?fù)雜“玄妙”的思維活動(dòng)，歸根結(jié)底也只是大腦皮層里一些神經(jīng)元的電化學(xué)活動(dòng)罷了，而支持它們存在的信息基礎(chǔ)，都不過(guò)是感覺(jué)皮層中另一些神經(jīng)元用于表征外部刺激的另一些電化學(xué)活動(dòng)罷了。

正是由于我們的感覺(jué)和思維都有著這樣的神經(jīng)基礎(chǔ)，因此在理論層面上，構(gòu)建虛擬世界還算是個(gè)完全可行的計(jì)劃。然而當(dāng)這個(gè)夢(mèng)想“實(shí)裝”到現(xiàn)實(shí)層面后，隨之而來(lái)的技術(shù)問(wèn)題就足以難倒所有的神經(jīng)科學(xué)家和設(shè)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(hào)》（電影《頭號(hào)玩家》原著）那樣，通過(guò)立體目鏡等外部設(shè)備，利用人體原本的感覺(jué)器官來(lái)構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)世界。

目前炒得火熱的VR（Virtual Reality）眼鏡，就是這些科幻設(shè)想“變現(xiàn)”后的產(chǎn)物。雖然號(hào)稱可以讓人“身臨其境”，但VR眼鏡說(shuō)穿了也不過(guò)是一種利用雙眼立體視覺(jué)原理來(lái)欺騙感官于一時(shí)的戲法，使用時(shí)間稍長(zhǎng)就容易讓大腦出現(xiàn)認(rèn)知錯(cuò)誤，產(chǎn)生眩暈。因此，直接向人類感覺(jué)器官中輸入虛擬信息的方案，雖然在技術(shù)上相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但是即便沿著這個(gè)思路繼續(xù)發(fā)展到電影《頭號(hào)玩家》中那樣全身披掛感官模擬設(shè)備的水平，還是無(wú)法讓沉浸游戲中的玩家們真正做到“樂(lè)不思蜀”。

究其原因，就在于人類的感官在漫長(zhǎng)的演化中，已經(jīng)被復(fù)雜的自然環(huán)境反復(fù)打磨，對(duì)輸入信息的內(nèi)容高度挑剔。以視覺(jué)皮層為例，不同皮層區(qū)域、不同層級(jí)的海量神經(jīng)元，形成了種類繁多的特征過(guò)濾器，可以高效地完成對(duì)輸入信息的編碼加工和特征處理。因此，一張?jiān)诶碚撋闲畔⒘繕O大、內(nèi)容非常復(fù)雜的自然圖片，往往只會(huì)在視覺(jué)皮層里激活為數(shù)有限的少數(shù)神經(jīng)元。我們所看到的“現(xiàn)實(shí)”，實(shí)際上都是感覺(jué)皮層通過(guò)篩選出的關(guān)鍵特征“腦補(bǔ)（計(jì)算）”出來(lái)的“虛擬現(xiàn)實(shí)”。而想要在如此精密的特征篩選器眼皮子底下瞞天過(guò)海，僅僅是一味地增強(qiáng)硬件性能，顯然是沒(méi)戲的。

那么如果像《黑客帝國(guó)》《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》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(huán)境下確實(shí)可以精確刺激感覺(jué)系統(tǒng)中的神經(jīng)元，從而構(gòu)建一個(gè)以假亂真的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，但是實(shí)際情況卻依然比想象要復(fù)雜許多。

首要的難題，就是對(duì)神經(jīng)元們進(jìn)行“摸底排查”，從而鎖定刺激信息的投送目標(biāo)。

在對(duì)大腦感覺(jué)皮層研究的早期，科學(xué)家們往往采用電極記錄的方式，來(lái)探究神經(jīng)元對(duì)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(xì)絲的玻璃管，內(nèi)部灌滿了導(dǎo)電溶液。至于《黑客帝國(guó)》里那些用堪比加油槍的巨型鋼錐直接“懟”進(jìn)后腦接口的“腦后插管”場(chǎng)面，就完全是為畫(huà)面表現(xiàn)力服務(wù)的藝術(shù)想象了。

不過(guò)，即便現(xiàn)實(shí)中的電極比電影里精細(xì)了不只百倍，單獨(dú)一根電極也只能夠最多同時(shí)記錄到鄰近尖端的幾個(gè)神經(jīng)元。就算采用“排槍?xiě)?zhàn)術(shù)”，把幾十上百根電極組成一個(gè)陣列扎進(jìn)大腦里，能夠同時(shí)“監(jiān)聽(tīng)”到的神經(jīng)元信號(hào)，也不過(guò)百十個(gè)而已。如此稀少的樣本量，相比于神經(jīng)元的龐大基數(shù)來(lái)說(shuō)只能算是九牛一毛。

所幸，隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)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(shè)備，可以通過(guò)向轉(zhuǎn)染了熒光蛋白的生物組織照射激光，從而觀察所激發(fā)的生物熒光，并以此判斷神經(jīng)元的活動(dòng)。這個(gè)過(guò)程雖然看起來(lái)頗為復(fù)雜，但從原理上講，卻并沒(méi)有看起來(lái)那么復(fù)雜：

正常情況下，當(dāng)某些原子被光子擊中后，圍繞原子核的電子就會(huì)吸收光子的能量進(jìn)入激發(fā)態(tài)，但是，高能狀態(tài)的電子并不穩(wěn)定，往往會(huì)在很短的時(shí)間就落回原本的狀態(tài)。而這個(gè)過(guò)程中電子所丟失的能量，依然會(huì)以光子的形式釋放。這個(gè)由被激發(fā)原子產(chǎn)生的光子，就是所謂的“熒光”。

顯然，根據(jù)能量守恒定律，熒光的光子能量不可能大于激發(fā)光，而波長(zhǎng)也因此會(huì)相應(yīng)地更長(zhǎng)一些。所以，如果我們想要得到更強(qiáng)的熒光信號(hào)，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(yōu)質(zhì)的成像結(jié)果。但這樣一來(lái)，強(qiáng)烈的激光就很容易損傷被照射的組織，而且較短的波長(zhǎng)也容易在生物組織中散射，削減了透視的深度。

幸運(yùn)的是，宇宙間的物理法則給我們留了個(gè)“后門”。科學(xué)家們?cè)谘芯恐信既婚g發(fā)現(xiàn)，如果兩個(gè)激發(fā)光子在極短時(shí)間內(nèi)幾乎同時(shí)擊中一個(gè)原子，那么這個(gè)原子釋放的熒光能量就會(huì)突破單個(gè)激發(fā)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(shí)間內(nèi)以極高頻率聚集發(fā)射密集的長(zhǎng)波長(zhǎng)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(fā)生的可能，從而在盡量不損傷大腦的情況下，獲得熒光信號(hào)很強(qiáng)的成像結(jié)果。

那下一步的問(wèn)題，就是如何把熒光和神經(jīng)元電活動(dòng)之間搭上關(guān)系了。

此時(shí)，大自然再次給我們準(zhǔn)備了一條通路。

生物學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)體的各種細(xì)胞內(nèi)，鈣離子都是重要的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。而在神經(jīng)元中，當(dāng)細(xì)胞興奮放電時(shí)，其內(nèi)部的鈣離子濃度會(huì)迅速上升十幾甚至上百倍。

在發(fā)現(xiàn)了鈣離子濃度與神經(jīng)元活動(dòng)之間的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系后，科學(xué)家們利用這一現(xiàn)象，構(gòu)建出了對(duì)鈣離子濃度敏感的熒光蛋白——鈣離子指示劑。隨后，科學(xué)家們通過(guò)病毒載體將鈣離子指示劑轉(zhuǎn)入神經(jīng)元內(nèi)部。從此，我們就可以通過(guò)熒光信號(hào)強(qiáng)度來(lái)衡量神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度，并進(jìn)一步推斷其電活動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)這么一番操作的神經(jīng)元，在雙光子顯微鏡下就成了一旦“通電”就會(huì)亮起熒光的“電燈泡”。

集成了這樣環(huán)環(huán)相扣的一系列技術(shù)后，雙光子顯微鏡的性能自然非常驚人，可以在一次實(shí)驗(yàn)中同時(shí)監(jiān)測(cè)觀察視野內(nèi)幾百甚至上千個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。如此一來(lái)，科學(xué)家對(duì)大腦的研究效率就大大提高了。大腦內(nèi)包括視覺(jué)認(rèn)知在內(nèi)的很多復(fù)雜神經(jīng)機(jī)制，都在雙光子顯微鏡下一點(diǎn)一點(diǎn)地褪去了神秘的面紗。

那么接下來(lái)的問(wèn)題，就是如何給它們合適的刺激了。

電極雖然可以通過(guò)放電來(lái)刺激神經(jīng)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(huì)同時(shí)波及靠近電極尖端的一整片神經(jīng)元，缺少足夠的特異性。幸運(yùn)的是，科學(xué)家們?cè)诒臼兰o(jì)研發(fā)出了全新的“光遺傳”技術(shù)，通過(guò)基因工程的手段，為神經(jīng)元裝上靈敏的“光控開(kāi)關(guān)”——視蛋白，從而使其可以被激光照射精確地激發(fā)（或者抑制）電活動(dòng)。

歷經(jīng)了幾十年的技術(shù)發(fā)展，人類終于擁有了可以細(xì)致觀察大腦的“慧眼”，以及可以精確控制神經(jīng)元的“巧手”。

那么虛擬現(xiàn)實(shí)的大門是不是就此向人類敞開(kāi)了呢？

事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

現(xiàn)實(shí)中的電極如果要記錄到神經(jīng)元，就需要通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)將其埋置進(jìn)大腦之中。同時(shí)，就目前的電極技術(shù)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(shù)，同樣也無(wú)法隔著顱骨監(jiān)控神經(jīng)元，一樣需要在腦袋上“開(kāi)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(qū)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(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物直接進(jìn)行基因工程的改造。此外，對(duì)于比較深層的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，目前的雙光子顯微鏡還是沒(méi)法“看透”的，依然需要使用傳統(tǒng)的電極來(lái)記錄神經(jīng)元的活動(dòng)。

正因?yàn)檫@些技術(shù)必然會(huì)伴隨著無(wú)法完全避免的手術(shù)和感染風(fēng)險(xiǎn)，所以它們主要的應(yīng)用對(duì)象還是各種實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，除了極少數(shù)情況外，基本不會(huì)用在人類身上。

而另一方面看，目前所有這些技術(shù)，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(yuǎn)。對(duì)上萬(wàn)上億規(guī)模的海量神經(jīng)元進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步監(jiān)測(cè)與調(diào)控，目前依然是一個(gè)完全無(wú)從規(guī)劃設(shè)想的夢(mèng)幻領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)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(jìn)入虛擬世界的設(shè)定，在技術(shù)上就更加難以實(shí)現(xiàn)了。不管是腦電圖、功能核磁共振還是經(jīng)顱磁刺激，現(xiàn)實(shí)中對(duì)人腦神經(jīng)活動(dòng)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)與干預(yù)，都因?yàn)樯窠?jīng)信號(hào)本身的微弱，以及顱骨和頭皮的巨大阻隔，而在空間和時(shí)間分辨精度上不甚理想，只能大體上觀察并調(diào)控一些腦區(qū)級(jí)的大規(guī)模神經(jīng)活動(dòng)，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(jī)交互技術(shù)在可預(yù)見(jiàn)的范圍內(nèi)如何發(fā)展改良，尼奧他們通過(guò)“腦后插管”實(shí)現(xiàn)的超高速學(xué)習(xí)，還是違背了人腦神經(jīng)系統(tǒng)的基本學(xué)習(xí)原理——大腦對(duì)新事物的學(xué)習(xí)和記憶，本質(zhì)上是在表征對(duì)應(yīng)概念的神經(jīng)元群體之間構(gòu)筑起穩(wěn)定的神經(jīng)連接，想要用短短幾秒鐘就在大腦里建立起全新的大規(guī)模神經(jīng)環(huán)路，顯然是極其困難的。

夢(mèng)幻一般的虛擬世界，目前依然是鏡花水月的幻想。

三、虛實(shí)之間

現(xiàn)實(shí)如果難以接入虛擬，但虛擬未必不能照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

就在我們慶祝勞動(dòng)節(jié)時(shí)，大洋彼岸麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們，在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表了一篇同時(shí)震撼了神經(jīng)科學(xué)與人工智能兩個(gè)領(lǐng)域的交叉研究，為人機(jī)交互領(lǐng)域開(kāi)辟了全新的可能。

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

這個(gè)驚人的研究，先是用100萬(wàn)張自然圖片在電腦里訓(xùn)練出了一個(gè)擅長(zhǎng)圖像識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。隨后，科學(xué)家們把這個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和直接在獼猴大腦里觀察到的視覺(jué)皮層神經(jīng)元反應(yīng)進(jìn)行了比較，將其中的虛擬神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)與大腦中的真實(shí)神經(jīng)元進(jìn)行了數(shù)學(xué)上的映射。換言之，這些科學(xué)家們用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬并預(yù)測(cè)了猴子大腦內(nèi)一部分視覺(jué)皮層神經(jīng)元的活動(dòng)規(guī)律。

隨后，這些科學(xué)家通過(guò)分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，用計(jì)算機(jī)合成出了一系列看起來(lái)稀奇古怪但對(duì)于特定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中虛擬的神經(jīng)元來(lái)說(shuō)“正中靶心”的“控制刺激”。在隨后的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)里，當(dāng)猴子們從計(jì)算機(jī)屏幕上看到這些仿佛抽象畫(huà)的玩意時(shí)，科學(xué)家們欣喜地發(fā)現(xiàn)，它們視覺(jué)皮層中的大部分神經(jīng)元都“毫無(wú)波動(dòng)”，但極少數(shù)神經(jīng)元卻呈現(xiàn)出了非常強(qiáng)烈的反應(yīng)，與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果基本一致。

如此一來(lái)，人類就可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的結(jié)果，直接使用與生俱來(lái)的視覺(jué)通路，來(lái)對(duì)大腦皮層特定的神經(jīng)元或神經(jīng)元群體的活動(dòng)進(jìn)行精確的控制。

《雪崩》與《黑靈》中直接利用視覺(jué)信息來(lái)精確控制大腦的幻想，開(kāi)始逐步成為現(xiàn)實(shí)。也許在不遠(yuǎn)的未來(lái)，基于現(xiàn)有研究的全新虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就將為人類打開(kāi)通往無(wú)盡幻想鄉(xiāng)的大門。

誠(chéng)然，正如《黑客帝國(guó)》中那個(gè)黑暗未來(lái)所警示的那樣，面對(duì)突飛猛進(jìn)的科學(xué)與技術(shù)發(fā)展——尤其是與人類自身認(rèn)知活動(dòng)有關(guān)的科技發(fā)展——人類確實(shí)有責(zé)任去防止自己玩火自焚。但正如我們的先祖最終學(xué)會(huì)了用火，并因此始在智能演化的道路上開(kāi)始驚人的加速發(fā)展一樣，面對(duì)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(xué)的火炬，帶著對(duì)自然規(guī)律的敬畏，一步一步地邁向未來(lái)。

[責(zé)任編輯：劉維佳]