科学

梦之彼方——虚拟现实的虚拟与现实

文/张雨晨

导言：

《玩家一号》的续作《玩家二号》11月在北美出版发行。故事中那个塞满人类流行文化瑰宝（和“梗”）的“绿洲”，堪称是流淌在电子空间的现世天堂。那么，在我们重返“绿洲”飙赛车、开高达之前，何不先来看看支持这精彩故事的科学基础框架呢？

一 庄周梦蝶

梦境与现实，哪一个更加精彩，哪一个更加让人留恋？

从《梦游天姥吟留别》到《爱丽丝漫游仙境》，壮丽而诡异的梦境一直是文艺领域经久不衰的创作题材。而随着科学的发展，向大脑中输入信息，形成一个“虚拟现实”的科幻概念，开始取代传统的“神游太虚”，成了新一代文化产品受众的新宠。

虚拟现实正式成为一个独立的科幻概念，还是要从“赛博朋克”流派的开山之作《真名实姓》算起。随后，诸如《神经漫游者》《雪崩》《黑客帝国》《盗梦空间》在内的后续作品，将这一科幻概念极大扩展，为观者展现出了千姿百态的虚拟现实奇观。

而在流行文化同样发达的日本，则围绕着虚拟现实技术，诞生了《攻壳机动队》《铃音》《废园天使》等科幻经典。时至今日，虚拟现实题材也依然不乏《刀剑神域》和《十三机兵防卫圈》这样的新潮大作。甚至连一贯老成持重、以“现实系”自居的《高达》系列，也推出了故事情节颇为精彩的“网游高达”——《高达创形者·再起》。

有趣的是，在自身本就是“虚构”的幻想故事中再去描述“虚拟现实”，等于是让作品本身，化为一场嵌套着的多层梦境。现在，就让我们穿透“梦幻境”的层层面纱，潜入它最深处的科学本源吧。

二 欢迎来到现实的荒漠

在认识“虚拟现实”之前，我们首先要弄明白什么是现实。

虽然乍一看“何为现实”是一个几乎不证自明的蠢问题。但如果打破砂锅问到底，就会发觉“现实”恰恰是一个极难定义的概念。

在诞生现代科技文明萌芽的古希腊，著名自然哲学家柏拉图曾经提出了一个乍一看有些匪夷所思的“寓言”：倘若一个人从出生就被锁在岩洞之中当“面壁者”，所见之物全都是身后大千世界透过洞口投射在岩壁上的影子，那么对于这位命运悲惨的“洞穴囚徒”来说，岩壁上“现实的倒影”就是他所见的一切“现实”。

这个“思想实验”乍一看似乎匪夷所思，但从严密的逻辑思辨角度看，却提出了一个非常尖锐的问题：我们认识的现实，究竟是客观的存在，还是由认知能力通过输入刺激构建出来的幻象？

考虑到我们对“现实”本身的认识，都是建立在感知觉输入的信息之上，这个“现实究竟是否现实”的问题，就没有看起来那么不着边际了。随着欧洲文艺复兴运动对希腊文明薪火的传承，著名的学者笛卡尔，在柏拉图的基础上更进一步，提出了一个如今看来都依然耐人寻味的思想实验：倘若一只法力高强的恶魔，用卓绝的幻术欺骗了我们所有的感官和知觉，那么我们还能否只靠自己、从内部就识破它精心编织的“梦幻境”呢？更进一步追问，我们怎么确定，如今习以为常的现实，不是一个被恶魔有意用信息壁垒构建的海市蜃楼呢？

时至今日，在流行文化中，笛卡尔的“幻术恶魔”依然有着名为“月读”“镜花水月”“对自核梦”和“黑客帝国”的无数化身。这些作品旺盛的生命力，本身就在反映着我们对于“现实”的思考与隐忧。

而随着现代科学与技术的进步，尤其是神经科学和心理认知科学的快速发展，人类对现实的认知，也从单纯的哲学问题，变成了一个横跨多个学科、涉及无数具体课题的庞大领域。

那么，人类究竟是如何产生对现实的认识呢？

从神经生物学的研究看，以我们的主要感官——视觉为例，大脑的初级视皮层，主要是对视野中物体的边界、角度朝向、空间频率等简单的局部信息进行识别、提取与编码的。而对复杂物体（比如面孔）的表征识别，则出现在综合接受大量低级皮层输入信息的中、高级视觉皮层之中。而再往更高级的脑区走，神经元表征的就是更加抽象、符号化的概念了。

加州理工学院的科学家曹颖，在2017年发表的非人灵长类面部识别机制研究论文中，就以电极记录的颞叶神经元活动为实验证据，证明了大脑对面孔的表征和识别，是一个汇总大量神经元反应的过程。具体来说，在颞叶一个负责处理加工面孔等复杂视觉特征的脑区里，不同的神经元会对输入的不同特征信息分别进行加工，并以自身的放电频率为编码手段，分别对某一个具体特征的变化进行持续的表征——比如，一个负责检测“眼距”特征的神经元，当呈现给大脑的面孔图片是个眼距很小的人时，它的放电就很少；但随着双眼的距离越拉越开，它的放电频率会变得越来越密集。因此，只要检测这个神经元的放电频率，大脑就能知道看到的人眼距是宽是窄。而将这些神经元各自代表的特征维度汇总起来之后，大脑就可以构建一个表征面孔的高维特征空间，识别映入眼帘的每一张面孔。

这种用群体编码构建面孔的方式，实际上早就被三维动画建模师用来创建虚拟人物了。最典型的例子，就是很多冒险游戏里开场的角色外观自定义系统。玩家通过拖动各个特征轴的具体参数，来构建一张符合自己想象的个性化面孔，从而大大增加游戏时的代入感。这个源自计算机建模的“捏人”算法，恰恰与大脑天然的面孔特征表征方式高度类似。

然而，当看到一张熟悉的面孔时，我们根本不需要挨个对比面部特征，就能立刻认出这是谁。即便是陌生的面孔，我们也能在一瞥之下，立刻判断出这个人的表情、情绪以及可能的性格。

这种现象，神经生物学同样有实证研究。

回到初级视皮层。先前的大量实验证据已经证明，这里的神经元主要是表征非常具体的局部信息。那么，当我们扫视充斥着海量具体信息的日常环境时，这里的神经元们会不会被汹涌而入的信息流引发山呼海啸的全面活动呢？

奇怪的是，自然场景并不能引发初级视觉皮层神经元的大规模活动——这个结果虽然在科学家意料之外，但也在科学的情理之中：自然选择从来都会严格限制大脑的能量消耗，视觉系统如果对最常见的自然环境都要拉满功率来应对，那必然早就被淘汰了。

经过进一步的研究，科学家们发现，大脑中各个层级的神经元，都会多多少少受到来自其他神经元反馈调控。而大脑内的不少神经元，即便没有信息输入时，自身也会产生一定频率的自发放电，从而对其他的神经元持续产生或兴奋或抑制的输出效果。只有当神经信号沿着特定的通路传入这些“自说自话”的神经元后，它们的活动模式才会产生变化。这种“自发放电”活动，在知觉认知的形成过程中，就可被视为一种对外部刺激预先进行判断和表征的“预期”。初级视皮层的神经元，在看到自然场景时，大部分的活动都会被上位神经元的反馈调控所抑制。

由于大量“预期”的存在，大脑建立“现实”的思维过程，与其说是在“拍照”，不如说是在“作画”。最终的效果，就是大脑经过学习和积累后，只需要同时激活数量有限的少数神经元，就能高效快速地识别、提取环境中感兴趣的信息，再用抽象的预期信息填补空白，并对认为不重要的信息大量过滤、抑制。

再进一步，我们大脑里这种“即兴创作”的机制，甚至会让我们看到一些“不存在”的事物。比如说，三个有缺角的“吃豆人”图形，配上三个折角线段，在适当的排列后，就会让大脑“看到”一个实际上不存在的“卡尼萨三角”。而这种“完形填空”一般的思维特性，则让最早描述这一类大脑认知活动的心理学派，获得了“格式塔（Gestalt，德语完形之意）”的名号，至今依然对科学、哲学甚至艺术都有着独特的影响和指导。

因此，即便没有笛卡尔的“幻术恶魔”，我们的大脑本身，也是在不断地“自我欺骗”中认识“现实”的。而当这种“自欺欺人”的能力出现病态发展时，就会在脑内不受控制地生成各种真假难辨的诡异幻觉，极大影响患者的精神状态。这种精神疾病，就是名字经常被误解为“多重人格”的“精神分裂症”。

随着神经科学和临床医学的发展，哲学领域也在不断跟进。进入20世纪之后，法国哲学家拉康，就基于当时的科学研究和临床观察，对“现实”提出了著名的“三界”理论。

这其中，“真正的现实”，也就是“实在界（the Real）”，是一个我们实际上从未直接感知过的外部世界。我们以为的“现实”，其实是大脑接收了身体其他部分输入的神经信号，加以筛选、加工甚至“脑补”之后，在脑内形成的“想象界（the Imaginary）”。而人类凭借演化史上空前发达的高度智能，以符号化的逻辑、语言、故事和知识编织起来的抽象概念世界，则组成了最后的“象征界（the Symbolic）”。

虚拟现实技术，就是在现实的荒漠上，为我们再造一个全新的“想象界”。

三 缸中之脑

笛卡尔恶魔的现代版本，就是“缸中之脑”。

简单来说，就是让幻术恶魔化身全套的仪器设备，使一个孤立存在的大脑，也能误以为生存在现实世界。

不如说，我们的大脑本身，从来就是一个蛰伏在颅腔这个“生物培养槽”之中的“缸中之脑”。因此，只要能够向大脑输入以假乱真的信息，在大脑中重建一个“虚拟现实”在理论上是完全可能的。

但具体怎么做呢？

其中一个办法，就是像笛卡尔设想的那样，从原有的感官通道里向大脑输入信息——比如目前流行的VR（Virtual Reality）头显设备。这个看着像是“板砖盖脸”的玩意，主体部分实际上是一个双眼显示器。它利用人脑借助双眼视差形成立体视觉的机制，分别向双眼投射略有角度差异的影像，营造以假乱真的景深。然后，再通过设备内置的平衡感受器，捕捉使用者的头部转动，将对应角度的图像实时传递到佩戴者的眼前，模拟头部转动时“眼观六路”的效果。如果再配上立体声耳机带来的“耳听八方”，甚至体感手柄的“手到擒来”，那虚拟现实的体验效果就更锦上添花了。著名科幻作品《雪崩》和《玩家一号》中的虚拟现实世界，就是依靠类似的技术实现的。

而类似机制的增强现实（Augmented Reality, AR）则是把虚拟信息投射在透明的目镜上，并可以让这些虚拟形象与现实进行一定的交互。这显然对整套系统提出了额外的现实环境感知识别要求。在《刀剑神域·序列之争》中，主角们就是通过“黑科技”的AR眼镜，在现实的街道、广场和公园中与游戏怪兽战斗、和虚拟歌姬共舞。不过现实中的AR技术，还远没有动画中想象的惊人能力。

显然，这样利用原有“输入端”来制造虚拟现实的技术，最大的优点就是不会对人体造成直接侵害，可以即戴即用，普及起来非常方便。然而，这类技术也绝非完美无缺。我们的感知觉系统，在漫长的自然演化中被环境刺激打磨得极其敏锐，对类似自然环境的输入信息有着高度的识别、加工能力。而目前的VR设备，再怎么强化硬件机能，也很难真正骗过我们与生俱来的“火眼金睛”，多沉浸一会儿就会被大脑看出破绽，从而产生眩晕等应激反应。

因此，虚拟现实的另一条路线，就是直接往大脑的感觉皮层里投射信息。

虽然看起来很玄，但“直接往大脑里塞信息”本身，并不是多难的事情。拳击运动员“脸接重拳”后的“眼冒金星”，就是在头部受到剧烈冲击时，位于大脑枕部的初级视觉皮层撞到颅骨后异常放电产生的“输入信息”。

不过，如果想要输入有意义的信息，那难度曲线立刻就陡然上升了。受限于大脑骇人的复杂程度，那些表征着抽象概念的中高级皮层，目前对于人类来说还有太多未知。贸然用电极去刺激这些位置，几乎不可能预测产生的结果，因此很难往里有效地输入信息。

但是，对于初级视皮层这样和视网膜有着明确对应投射关系的初级感觉皮层来说，一些经过精心设计的刺激序列，就可以形成有效的信息输入了。

初级视皮层，就像一张大脑映射视觉信号的投影幕布，它的不同位置，分别对应着视野中不同的“感受野”。因此，我们只要对初级视皮层的不同位置进行刺激，就能在视野中对应的各个位置分别产生“视觉”的效果了。

说白了，就是一种特别精细的“眼冒金星”。

2018年，我国科学家就通过光遗传技术（可以简单理解为通过基因工程手段让特定的神经元可以被特定波段的光刺激激活）精确刺激猕猴的初级视皮层，在清醒的猕猴身上成功输入了含有基本空间位置信息的“虚拟视觉”。而2020年美国医学家Yoshor领导的团队，更是在患者初级视皮层植入视觉皮层假体（Visual Cortical Prosthesis, VCP），再以动态刺激序列激活初级视皮层的不同区域，让眼部损伤的盲人在黑暗中看到了由连续呈现的视觉刺激轨迹组成的字母。

显然，现实中的虚拟现实设备，因为科学理论和技术水平的限制，还远远达不到科幻故事中的效果。像《刀剑神域》那样不需要任何有创植入设备、只要戴到头上就能彻底进入完美虚拟世界的Nerve Gear头盔，更是当代科学技术框架内甚至无从设想的“黑科技”。

此外，虚拟现实技术倘若真的发展起来，虽然会有巨大的应用前景，但也会产生负面的隐患。不管是像“对自核梦”那样让人沉湎的温柔乡，还是《副本》中惨无人道的虚拟刑讯室，虚拟现实就像所有技术一样，本身无分善恶，全看人性将其如何发挥。

但反过来说，虚拟现实技术，本身也并没有什么特别的。它不过是在现实的荒漠上，为我们的灵魂再搭起一栋可以暂避其中的空中楼阁而已。它就是一面厄里斯魔镜，我们在其中看到的一切，归根结底依然是现实的倒影，最后终将砰然坠落到“实在界”的尘埃之中，就像世间存在的森罗万象一样。

毕竟，虚拟现实虽然可以无限美好，但倘若能在现实活得同样精彩，又有谁会一直逃避其中呢？

【责任编辑：艾 珂】