【科幻世界·公益阅读】科学：梦回矩阵 ——在真实与虚幻之间
以“读”攻毒——科幻世界相伴，助力全民战“疫”
梦回矩阵
——在真实与虚幻之间
作者/张雨晨
导言：
本文刊登于《科幻世界》2019年7月刊。
二十年前，20世纪的最后一年，《黑客帝国》横空出世。
也许一些年轻的读者已经很难想象当时该片席卷全球的观影和讨论热潮。但《黑客帝国》对当时观众的震撼，却是实实在在地延续到了今天。
究竟是什么让这部影片有着如此的魅力呢？
一、
矩阵启动
《黑客帝国》（Matrix）可能是被过度解读最多的电影之一了。
自1999年上映以来，整整二十年间，如过江之鲫的职业影评人——以及数目再翻几个数量级的海量观众——纷纷为这部惊世骇俗的电影贴上了各种纷繁复杂的标签，从赛博朋克、存在主义到东方哲理甚至天启宗教……不一而足。
不过，无论被如何解读演绎，《黑客帝国》的本质依然是一部科幻电影。让它从一众特效大片中脱颖而出的关键，依然是其中的科幻内核。所有看完《黑客帝国》的人，几乎都会在脑子里闪过一个疑问：
我们的世界，真的是“真的”吗？
二、
镜花水月
“码农”安德森发现自己所生活的世界可能是个电脑程序。
有关《黑客帝国》的所有讨论，几乎全都由此展开。
当接触到神秘的女黑客崔妮蒂（Trinity，三位一体）之后，在黑客圈子里化名尼奥（Neo）的安德森逐渐意识到，那些潜伏在自己脑海深处的恐怖回忆，并非噩梦，而是这个世界神秘真相的冰山一角。
《黑客帝国》用简单直接的视觉影像说明了何为“虚拟现实”
在面见了这伙黑客的首领墨菲斯（Morpheus，睡梦之神）后，尼奥终于明确了世界的真实面貌——真实从未存在，整个世界都不过是超级电脑“矩阵（Matrix）”为人类生成的虚拟现实。而这些有着惊人身手的黑客，实际上都是反抗“矩阵”统治的人类义军。
对于“虚拟现实”的描写演绎，自小说《真名实姓》开始，就是科幻艺术中一抹独具魅力的异色风景。从《神经浪游者》《雪崩》《副本》《攻壳机动队》一直到近年大热的《刀剑神域》，科幻艺术对人类意识潜入数据海洋后的种种可能，进行着天马行空的精彩想象。
回到《黑客帝国》。尼奥在正式入伙义军之后，通过后脑上的脑机接口，以近乎电脑下载程序的惊人效率，在极短的时间里学会了全套的战斗技巧。当他在“矩阵”内经历了与“杀毒软件”史密斯特工的殊死搏斗之后，甚至觉醒了可以直接看破虚拟世界运转代码的“天眼”，成为了能够飞天遁地、手接子弹的“开挂”超人。
加入了黑客团队后，尼奥利用脑机接口开始了“火线速成”培训
尼奥在虚拟世界空手挡子弹的表演堪称“开挂”
在尼奥眼中，“矩阵”模拟的世界不过是一串一串的代码
诚然，电影中这些至今看来依然酷得没边的战斗场面，都是对虚拟现实世界的艺术演绎；但这样精彩的虚拟世界，究竟什么时候才能实现？在不少科幻作品中，哪怕是社会环境与我们所处当下大同小异的近未来，虚拟世界都已经对人类敞开了大门。
目前的VR技术，还根本不够模拟一个完整的虚拟世界
不过，在被自然规律统治的现实世界，人类一厢情愿的幻想并不能按照幻想艺术的演绎来发展。从目前的科学研究看，构建虚拟世界的工程，远比科幻作品所想象的要复杂。
我们的人脑是一个由大约80亿-90亿神经元（Neuron）连接形成的超级神经网络。虽然每一个神经元都只能对传入的信号进行相对简单的反应，但正如一块块结构简单的大理石可以建成最繁复壮丽的大教堂一样，当这些神经元以惊人的数量和复杂度组合在一起时，名为“知觉”甚至“意识”的存在，就开始从神经网络的深渊中涌现而出。
也正因为有着这样的神经基础，我们的意识从形成到消散，都只能存在于大脑利用感觉器官输入信号所模拟出来的“虚拟世界”中。对于我们的大脑来说，《黑客帝国》所担忧的“缸中之脑”问题，实际上根本不是个问题——只要你能向大脑输入恰当的信息，我们的意识就根本不会去分辨虚拟与现实的差异。因为不管多么复杂“玄妙”的思维活动，归根结底也只是大脑皮层里一些神经元的电化学活动罢了，而支持它们存在的信息基础，都不过是感觉皮层中另一些神经元用于表征外部刺激的另一些电化学活动罢了。
正是由于我们的感觉和思维都有着这样的神经基础，因此在理论层面上，构建虚拟世界还算是个完全可行的计划。然而当这个梦想“实装”到现实层面后，随之而来的技术问题就足以难倒所有的神经科学家和设备工程师：
怎么向大脑输入这些信息？
一种办法是像《雪崩》与《玩家1号》（电影《头号玩家》原著）那样，通过立体目镜等外部设备，利用人体原本的感觉器官来构建虚拟现实世界。
目前炒得火热的VR（Virtual Reality）眼镜，就是这些科幻设想“变现”后的产物。虽然号称可以让人“身临其境”，但VR眼镜说穿了也不过是一种利用双眼立体视觉原理来欺骗感官于一时的戏法，使用时间稍长就容易让大脑出现认知错误，产生眩晕。因此，直接向人类感觉器官中输入虚拟信息的方案，虽然在技术上相对容易实现，但是即便沿着这个思路继续发展到电影《头号玩家》中那样全身披挂感官模拟设备的水平，还是无法让沉浸游戏中的玩家们真正做到“乐不思蜀”。
即便全身披挂，《玩家1号》里的玩家们也没法玩得尽兴
究其原因，就在于人类的感官在漫长的演化中，已经被复杂的自然环境反复打磨，对输入信息的内容高度挑剔。以视觉皮层为例，不同皮层区域、不同层级的海量神经元，形成了种类繁多的特征过滤器，可以高效地完成对输入信息的编码加工和特征处理。因此，一张在理论上信息量极大、内容非常复杂的自然图片，往往只会在视觉皮层里激活为数有限的少数神经元。我们所看到的“现实”，实际上都是感觉皮层通过筛选出的关键特征“脑补（计算）”出来的“虚拟现实”。而想要在如此精密的特征筛选器眼皮子底下瞒天过海，仅仅是一味地增强硬件性能，显然是没戏的。
那么如果像《黑客帝国》《攻壳机动队》或者《刀剑神域》那样直接向大脑输入信息呢？
很不幸的是，虽然这种思路在理想环境下确实可以精确刺激感觉系统中的神经元，从而构建一个以假乱真的虚拟现实世界，但是实际情况却依然比想象要复杂许多。
首要的难题，就是对神经元们进行“摸底排查”，从而锁定刺激信息的投送目标。
在对大脑感觉皮层研究的早期，科学家们往往采用电极记录的方式，来探究神经元对外界刺激的特征偏好。这些精密的电极，有的是包裹着绝缘层的金属丝，只在末梢露出最多几微米的裸露金属探头；还有一些，则是被拉成细丝的玻璃管，内部灌满了导电溶液。至于《黑客帝国》里那些用堪比加油枪的巨型钢锥直接“怼”进后脑接口的“脑后插管”场面，就完全是为画面表现力服务的艺术想象了。
麻省理工学院科学家设计用来控制
视觉皮层内特定神经元的“控制刺激”
不过，即便现实中的电极比电影里精细了不只百倍，单独一根电极也只能够最多同时记录到邻近尖端的几个神经元。就算采用“排枪战术”，把几十上百根电极组成一个阵列扎进大脑里，能够同时“监听”到的神经元信号，也不过百十个而已。如此稀少的样本量，相比于神经元的庞大基数来说只能算是九牛一毛。
所幸，随着科学与技术的发展，科学家们拥有了探索大脑奥秘的全新工具——双光子显微镜。这种颇为昂贵的精密设备，可以通过向转染了荧光蛋白的生物组织照射激光，从而观察所激发的生物荧光，并以此判断神经元的活动。这个过程虽然看起来颇为复杂，但从原理上讲，却并没有看起来那么复杂：
极为精密的电极阵列，可以同时记录到很多神经元的活动
正常情况下，当某些原子被光子击中后，围绕原子核的电子就会吸收光子的能量进入激发态，但是，高能状态的电子并不稳定，往往会在很短的时间就落回原本的状态。而这个过程中电子所丢失的能量，依然会以光子的形式释放。这个由被激发原子产生的光子，就是所谓的“荧光”。
显然，根据能量守恒定律，荧光的光子能量不可能大于激发光，而波长也因此会相应地更长一些。所以，如果我们想要得到更强的荧光信号，那就需要使用能量尽可能高的激光去照射组织，从而获得更优质的成像结果。但这样一来，强烈的激光就很容易损伤被照射的组织，而且较短的波长也容易在生物组织中散射，削减了透视的深度。
不同于传统的荧光激发，
双光子技术可以用波长更长的激发光获得同样的输出荧光
幸运的是，宇宙间的物理法则给我们留了个“后门”。科学家们在研究中偶然间发现，如果两个激发光子在极短时间内几乎同时击中一个原子，那么这个原子释放的荧光能量就会突破单个激发光子的能量上限，仅仅略小于二者能量之和。双光子显微镜中的飞秒激光器，可以在极短时间内以极高频率聚集发射密集的长波长光子，在维持较低平均输出能量的前提下，大幅提高了这种小概率事件发生的可能，从而在尽量不损伤大脑的情况下，获得荧光信号很强的成像结果。
想要获得高质量的荧光成像结果，就容易损伤大脑
那下一步的问题，就是如何把荧光和神经元电活动之间搭上关系了。
此时，大自然再次给我们准备了一条通路。
生物学的研究发现，在机体的各种细胞内，钙离子都是重要的细胞内信号，发挥着非常关键的作用。而在神经元中，当细胞兴奋放电时，其内部的钙离子浓度会迅速上升十几甚至上百倍。
在发现了钙离子浓度与神经元活动之间的严格对应关系后，科学家们利用这一现象，构建出了对钙离子浓度敏感的荧光蛋白——钙离子指示剂。随后，科学家们通过病毒载体将钙离子指示剂转入神经元内部。从此，我们就可以通过荧光信号强度来衡量神经元细胞内的钙离子浓度，并进一步推断其电活动状态。经过这么一番操作的神经元，在双光子显微镜下就成了一旦“通电”就会亮起荧光的“电灯泡”。
双光子显微镜是一套高度集成的精密设备
集成了这样环环相扣的一系列技术后，双光子显微镜的性能自然非常惊人，可以在一次实验中同时监测观察视野内几百甚至上千个神经元的活动。如此一来，科学家对大脑的研究效率就大大提高了。大脑内包括视觉认知在内的很多复杂神经机制，都在双光子显微镜下一点一点地褪去了神秘的面纱。
那么接下来的问题，就是如何给它们合适的刺激了。
电极虽然可以通过放电来刺激神经元，但这种刺激就像在大脑中引爆了一颗小小的电磁脉冲炸弹，会同时波及靠近电极尖端的一整片神经元，缺少足够的特异性。幸运的是，科学家们在本世纪研发出了全新的“光遗传”技术，通过基因工程的手段，为神经元装上灵敏的“光控开关”——视蛋白，从而使其可以被激光照射精确地激发（或者抑制）电活动。
光遗传技术可以给神经元装上光控开关
历经了几十年的技术发展，人类终于拥有了可以细致观察大脑的“慧眼”，以及可以精确控制神经元的“巧手”。
那么虚拟现实的大门是不是就此向人类敞开了呢？
事情远远没有那么简单。
现实中的电极如果要记录到神经元，就需要通过开颅手术将其埋置进大脑之中。同时，就目前的电极技术而言，处理信息的“带宽”也很不理想。至于双光子显微镜和光遗传技术，同样也无法隔着颅骨监控神经元，一样需要在脑袋上“开天窗”——也就是安装类似宇宙飞船舷窗的观察窗口，而且得事先在选定的脑区注射携带有钙离子指示剂或者视蛋白基因的病毒，甚至可以对实验动物直接进行基因工程的改造。此外，对于比较深层的神经结构，目前的双光子显微镜还是没法“看透”的，依然需要使用传统的电极来记录神经元的活动。
正因为这些技术必然会伴随着无法完全避免的手术和感染风险，所以它们主要的应用对象还是各种实验动物，除了极少数情况外，基本不会用在人类身上。
而另一方面看，目前所有这些技术，即便在最理想的情况下，也距离科幻作品中的神奇效果相去甚远。对上万上亿规模的海量神经元进行实时的同步监测与调控，目前依然是一个完全无从规划设想的梦幻领域，其实现难度，甚至可能不亚于建造恒星际宇宙飞船。
至于《刀剑神域》里那样直接戴上黑科技头盔就进入虚拟世界的设定，在技术上就更加难以实现了。不管是脑电图、功能核磁共振还是经颅磁刺激，现实中对人脑神经活动的无创检测与干预，都因为神经信号本身的微弱，以及颅骨和头皮的巨大阻隔，而在空间和时间分辨精度上不甚理想，只能大体上观察并调控一些脑区级的大规模神经活动，更谈不上精确的观察和控制了。
《刀剑神域》中的头盔，就是彻底无法在短期内企及的“黑科技”了
而且更令人丧气的是，不管人机交互技术在可预见的范围内如何发展改良，尼奥他们通过“脑后插管”实现的超高速学习，还是违背了人脑神经系统的基本学习原理——大脑对新事物的学习和记忆，本质上是在表征对应概念的神经元群体之间构筑起稳定的神经连接，想要用短短几秒钟就在大脑里建立起全新的大规模神经环路，显然是极其困难的。
梦幻一般的虚拟世界，目前依然是镜花水月的幻想。
三、
虚实之间
现实如果难以接入虚拟，但虚拟未必不能照进现实。
就在我们庆祝劳动节时，大洋彼岸麻省理工学院的科学家们，在顶级学术期刊《科学》上发表了一篇同时震撼了神经科学与人工智能两个领域的交叉研究，为人机交互领域开辟了全新的可能。
这一次，科学家们用上了在《黑客帝国》中与人类“相爱相杀”的“大反派”——人工智能。
这个惊人的研究，先是用100万张自然图片在电脑里训练出了一个擅长图像识别的人工神经网络。随后，科学家们把这个人工神经网络和直接在猕猴大脑里观察到的视觉皮层神经元反应进行了比较，将其中的虚拟神经元节点与大脑中的真实神经元进行了数学上的映射。换言之，这些科学家们用人工神经网络模拟并预测了猴子大脑内一部分视觉皮层神经元的活动规律。
随后，这些科学家通过分析人工神经网络的结构，用计算机合成出了一系列看起来稀奇古怪但对于特定人工神经网络中虚拟的神经元来说“正中靶心”的“控制刺激”。在随后的动物实验里，当猴子们从计算机屏幕上看到这些仿佛抽象画的玩意时，科学家们欣喜地发现，它们视觉皮层中的大部分神经元都“毫无波动”，但极少数神经元却呈现出了非常强烈的反应，与人工神经网络上模拟预测的结果基本一致。
如此一来，人类就可以利用人工神经网络计算出的结果，直接使用与生俱来的视觉通路，来对大脑皮层特定的神经元或神经元群体的活动进行精确的控制。
《雪崩》与《黑灵》中直接利用视觉信息来精确控制大脑的幻想，开始逐步成为现实。也许在不远的未来，基于现有研究的全新虚拟现实技术，就将为人类打开通往无尽幻想乡的大门。
诚然，正如《黑客帝国》中那个黑暗未来所警示的那样，面对突飞猛进的科学与技术发展——尤其是与人类自身认知活动有关的科技发展——人类确实有责任去防止自己玩火自焚。但正如我们的先祖最终学会了用火，并因此始在智能演化的道路上开始惊人的加速发展一样，面对新一代的科技革命，我们同样需要唤醒先祖铭刻在我们基因中的好奇、审慎与勇气，擎起科学的火炬，带着对自然规律的敬畏，一步一步地迈向未来。
【责任编辑：刘维佳】
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