夢回矩陣

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(yè)影評人——以及數(shù)目再翻幾個數(shù)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(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，無論被如何解讀演繹，《黑客帝國》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》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(nóng)”安德森發(fā)現(xiàn)自己所生活的世界可能是個電腦程序。

有關(guān)《黑客帝國》的所有討論，幾乎全都由此展開。

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(lǐng)墨菲斯（Morpheus，睡夢之神）后，尼奧終于明確了世界的真實(shí)面貌——真實(shí)從未存在，整個世界都不過是超級電腦“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。

對于“虛擬現(xiàn)實(shí)”的描寫演繹，自小說《真名實(shí)姓》開始，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)動隊(duì)》一直到近年大熱的《刀劍神域》，科幻藝術(shù)對人類意識潛入數(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》。尼奧在正式入伙義軍之后，通過后腦上的腦機(jī)接口，以近乎電腦下載程序的驚人效率，在極短的時間里學(xué)會了全套的戰(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“開掛”超人。

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

不過，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。

我們的人腦是一個由大約80億-90億神經(jīng)元（Neuron）連接形成的超級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。雖然每一個神經(jīng)元都只能對傳入的信號進(jìn)行相對簡單的反應(yīng)，但正如一塊塊結(jié)構(gòu)簡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，名為“知覺”甚至“意識”的存在，就開始從神經(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(dān)憂的“缸中之腦”問題，實(shí)際上根本不是個問題——只要你能向大腦輸入恰當(dāng)?shù)男畔ⅲ覀兊囊庾R就根本不會去分辨虛擬與現(xiàn)實(shí)的差異。因?yàn)椴还芏嗝磸?fù)雜“玄妙”的思維活動，歸根結(jié)底也只是大腦皮層里一些神經(jīng)元的電化學(xué)活動罷了，而支持它們存在的信息基礎(chǔ)，都不過是感覺皮層中另一些神經(jīng)元用于表征外部刺激的另一些電化學(xué)活動罷了。

正是由于我們的感覺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完全可行的計劃。然而當(dāng)這個夢想“實(shí)裝”到現(xiàn)實(shí)層面后，隨之而來的技術(shù)問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》（電影《頭號玩家》原著）那樣，通過立體目鏡等外部設(shè)備，利用人體原本的感覺器官來構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)世界。

目前炒得火熱的VR（VirtualReality）眼鏡，就是這些科幻設(shè)想“變現(xiàn)”后的產(chǎn)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(xiàn)認(rèn)知錯誤，產(chǎn)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(shù)上相對容易實(shí)現(xiàn)，但是即便沿著這個思路繼續(xù)發(fā)展到電影《頭號玩家》中那樣全身披掛感官模擬設(shè)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(jīng)被復(fù)雜的自然環(huán)境反復(fù)打磨，對輸入信息的內(nèi)容高度挑剔。以視覺皮層為例，不同皮層區(qū)域、不同層級的海量神經(jīng)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(nèi)容非常復(fù)雜的自然圖片，往往只會在視覺皮層里激活為數(shù)有限的少數(shù)神經(jīng)元。我們所看到的“現(xiàn)實(shí)”，實(shí)際上都是感覺皮層通過篩選出的關(guān)鍵特征“腦補(bǔ)（計算）”出來的“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海，僅僅是一味地增強(qiáng)硬件性能，顯然是沒戲的。

那么如果像《黑客帝國》《攻殼機(jī)動隊(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)可以精確刺激感覺系統(tǒng)中的神經(jīng)元，從而構(gòu)建一個以假亂真的虛擬現(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)。

在對大腦感覺皮層研究的早期，科學(xué)家們往往采用電極記錄的方式，來探究神經(jīng)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(xì)絲的玻璃管，內(nèi)部灌滿了導(dǎo)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(jìn)后腦接口的“腦后插管”場面，就完全是為畫面表現(xiàn)力服務(wù)的藝術(shù)想象了。

不過，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記錄到鄰近尖端的幾個神經(jīng)元。就算采用“排槍戰(zhàn)術(shù)”，把幾十上百根電極組成一個陣列扎進(jìn)大腦里，能夠同時“監(jiān)聽”到的神經(jīng)元信號，也不過百十個而已。如此稀少的樣本量，相比于神經(jīng)元的龐大基數(shù)來說只能算是九牛一毛。

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。這個過程雖然看起來頗為復(fù)雜，但從原理上講，卻并沒有看起來那么復(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，往往會在很短的時間就落回原本的狀態(tài)。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(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，而波長也因此會相應(yīng)地更長一些。所以，如果我們想要得到更強(qiáng)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(yōu)質(zhì)的成像結(jié)果。但這樣一來，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“后門”?？茖W(xué)家們在研究中偶然間發(fā)現(xiàn)，如果兩個激發(fā)光子在極短時間內(nèi)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(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，可以在極短時間內(nèi)以極高頻率聚集發(fā)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(fā)生的可能，從而在盡量不損傷大腦的情況下，獲得熒光信號很強(qiáng)的成像結(jié)果。

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

此時，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，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，其內(nèi)部的鈣離子濃度會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)元活動之間的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系后，科學(xué)家們利用這一現(xiàn)象，構(gòu)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(xué)家們通過病毒載體將鈣離子指示劑轉(zhuǎn)入神經(jīng)元內(nèi)部。從此，我們就可以通過熒光信號強(qiáng)度來衡量神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度，并進(jìn)一步推斷其電活動狀態(tài)。經(jīng)過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)中同時監(jiān)測觀察視野內(nèi)幾百甚至上千個神經(jīng)元的活動。如此一來，科學(xué)家對大腦的研究效率就大大提高了。大腦內(nèi)包括視覺認(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(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，會同時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)家們在本世紀(jì)研發(fā)出了全新的“光遺傳”技術(shù)，通過基因工程的手段，為神經(jīng)元裝上靈敏的“光控開關(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。

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了呢？

事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡單。

現(xiàn)實(shí)中的電極如果要記錄到神經(jīng)元，就需要通過開顱手術(shù)將其埋置進(jìn)大腦之中。同時，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)，同樣也無法隔著顱骨監(jiān)控神經(jīng)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(qū)注射攜帶有鈣離子指示劑或者視蛋白基因的病毒，甚至可以對實(shí)驗(yàn)動物直接進(jìn)行基因工程的改造。此外，對于比較深層的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，目前的雙光子顯微鏡還是沒法“看透”的，依然需要使用傳統(tǒng)的電極來記錄神經(jīng)元的活動。

正因?yàn)檫@些技術(shù)必然會伴隨著無法完全避免的手術(shù)和感染風(fēng)險，所以它們主要的應(yīng)用對象還是各種實(shí)驗(yàn)動物，除了極少數(shù)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(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)。對上萬上億規(guī)模的海量神經(jīng)元進(jìn)行實(shí)時的同步監(jiān)測與調(diào)控，目前依然是一個完全無從規(guī)劃設(shè)想的夢幻領(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)中對人腦神經(jīng)活動的無創(chuàng)檢測與干預(yù)，都因?yàn)樯窠?jīng)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(diào)控一些腦區(qū)級的大規(guī)模神經(jīng)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(jī)交互技術(shù)在可預(yù)見的范圍內(nèi)如何發(fā)展改良，尼奧他們通過“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——大腦對新事物的學(xué)習(xí)和記憶，本質(zhì)上是在表征對應(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)。

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

這一次，科學(xué)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(xùn)練出了一個擅長圖像識別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。隨后，科學(xué)家們把這個人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和直接在獼猴大腦里觀察到的視覺皮層神經(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)測了猴子大腦內(nèi)一部分視覺皮層神經(jīng)元的活動規(guī)律。

隨后，這些科學(xué)家通過分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，用計算機(jī)合成出了一系列看起來稀奇古怪但對于特定人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中虛擬的神經(jīng)元來說“正中靶心”的“控制刺激”。在隨后的動物實(shí)驗(yàn)里，當(dāng)猴子們從計算機(jī)屏幕上看到這些仿佛抽象畫的玩意時，科學(xué)家們欣喜地發(fā)現(xiàn)，它們視覺皮層中的大部分神經(jīng)元都“毫無波動”，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)測的結(jié)果基本一致。

如此一來，人類就可以利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出的結(jié)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(jīng)元或神經(jīng)元群體的活動進(jìn)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(xiàn)實(shí)。也許在不遠(yuǎn)的未來，基于現(xiàn)有研究的全新虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，就將為人類打開通往無盡幻想鄉(xiāng)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(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)會了用火，并因此始在智能演化的道路上開始驚人的加速發(fā)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(xué)的火炬，帶著對自然規(guī)律的敬畏，一步一步地邁向未來。

[責(zé)任編輯：劉維佳]