再谈“瓮中之脑”

文/吴建永　插图/子杰 | By Wu Jianyong　Illustration by Zi Jie

大脑在清醒时不断地构筑世界的地图；从五官和身体传来的感觉信号随时帮助校正脑内地图，使之与真实的世界协同。以此推论，养在瓮中的脑也会不断构筑世界的地图，而与之相连的电线也会不断帮其校正，达到“眼见为实”的逼真度。

瓮中之脑问题的要点，在于能否区分真实和虚拟经验。人类的精神世界是由大量间接经验和极少量亲历经验组成的。而绝大多数间接经验是通过虚拟的方式获得的。比如提到日出，每人脑海里都会涌现出地平线上的金色朝阳、彩云、拂面的晨风、暗蓝色的大海。可是这样的经典日出场景你一生经历过几次？可能是零到一次。可是这场景在脑海里就是栩栩如生。类似的例子不枚胜举，脑中的多数场景可能是电影里见过，书里读过或听人讲过。这些间接经验和概念在我们的精神世界中占了绝大的地盘。作为一个现代人，拒绝间接经验就像不学讲话、不去上学一样，无法在社会中生存。

间接经验完全可以通过电线传进大脑。而且传输速率可比自然的感官快几个数量级。因此未来人装不装“脑机接口”，可能不是个简单的生活方式问题，而是像今天接受高等教育或选择当文盲那样的重大人生决策。人类的贪婪心是永恒的，对“快”“多”和“高质量”的占有欲驱使着现代科学的发展。“瓮中之脑”这类用电线与人脑交换信息的生活方式很可能是人类文明发展的未来。

在前一篇关于“瓮中之脑”的文章中我曾提到：“感官在把外界信息变为神经信号时进行了大量压缩加工，已经完全失真。”（编者注：刊发于《新知》总第14期）这种失真实际上是加工的需要，比如视觉系统为了尽快提取形状、边界、运动速度和方向等信息，牺牲了大量有关图像细节的信息。与此相比，电线传输对真实世界的失真也不是技术不到，而是为了让大脑尽快形成概念而专门设计的。因此脑机接口和自然感官的目的是一样的。本文介绍几个虚拟感觉的故事，取自现在进行时的神经科学研究。

老鼠在黑暗中是看不见食物的，如果在完全黑暗的屋子里的几个地点随机放些食物，老鼠就要经过地毯式搜索，找遍全屋才能吃到。这时实验者给老鼠装了一只虚拟眼睛，看这只非自然的“天眼”能否帮助老鼠迅速找到食物。“天眼”一端用电线连接脑子，另一端是一个红外线感受器。当红外线传感器接受到红外信号时，电线就能传来电信号引起神经兴奋，于是老鼠知道外面有个红外灯亮了。老鼠自然的眼睛是看不见红外线的，红外线对它们的世界并没有意义。但是实验者在有食物的地方用红外线灯标记，这样红外线就突然变成在黑暗中寻找食物的有效工具。问题是：老鼠在自然眼睛看不见食物的时候会不会利用虚拟的红外线眼找到食物？结果，多数老鼠在装了这只虚拟眼之后几天就能熟练地应用，在黑暗中可以直接奔向红外标记下的食物，几乎和好像能看见一样。为了证明虚拟的眼睛不是寻常的感官，研究者不把它连接在脑的视觉区，而是在运动区。更离谱的是这个虚拟眼只有一个像素，不能看图像，世界在这只眼面前只是一个模糊的点。但是这并不能妨碍老鼠迅速学会并利用它找食物。这个实验说明大脑对外来的信号是很欢迎的，而且能迅速学会使用。

你也可以给自己装一个“天眼”：人本来是看不见无线电波的，但你买一个金属检测器，就能利用无线电波看到遗留在海滩沙下的金耳坠。这就是很多人热衷的探宝游戏，这个无线电波“眼”把电波变成声音，用你的耳朵来听。这种“看”到的感觉虽然是从耳朵来的，却是非常真实的。很多人玩了一星期，就能学会通过声音的大小和探头的移动在脑海中“看”到沙下金耳坠的位置、深度和大小。

类似的研究非常多，比如先天失明的小猫可以照样满屋跑，准确无误地跳上书架、桌子甚至主人的膝上。这是因为现实世界中充满各种声音，声波投射在各种物体上都会出现回声。在我们的日常生活中，这些回声是没有利用价值的。但是先天失明的小猫却学会利用这些反射的声波来估计物体的位置和大小，利用这些基本信息来指挥运动。

与盲猫类似，很多盲人也可以学会利用回声自行通过交通繁忙的路口，甚至可以上街骑车或打篮球。因为轮胎转动、人行走时的鞋底声都是可利用的声音源，篮球落地弹起的声音也可以利用来估计位置速度和方向。对猫和人的研究都发现：他们大脑的视觉区出现大量对声音敏感的神经活动，就是说他们利用声音信号在脑中构筑眼前的世界。脑中可以看见的世界是构筑在脑皮层视觉区中的。正常时候是眼睛传来的图像帮助人不断校正脑中的世界，定位自己和其他物体。在眼睛看不见的情况下，脑中世界照样可以构筑，只不过需要利用声音或触觉信号来校正和定位。“老鼠开天眼”和“沙滩探宝”的例子都是在无法利用视觉的时候利用红外或无线电波来修正脑中世界的图像。

在脑中构筑的世界图像中，自己的身体占有重要的位置。当我们的皮肤与其他物体接触时，需要把皮肤传来的神经信号和眼睛看到的皮肤－物体接触图像在大脑中综合起来，才能产生身体某一个部分接触物体的感觉。有个研究领域叫“身体转移错觉"（body transfer illusions），意即身体与外界物体接触的感觉很容易被歪曲，人脑更容易相信来自眼睛的信息。通过欺骗眼睛可以欺骗大脑，产生手脚甚至身体存在于其他位置的错觉。有个经典实验叫“橡皮手错觉”（rubber hand illusion），就是让人把放在桌上的橡皮手错认为是自己的手。实验时让受试者坐在桌前，右手放在桌上，右手旁边放一只橡皮的“左手”，而把真实的左手藏在背后。然后用一只毛笔轻轻地刷橡皮手的手指。如果在刷橡皮手的同时用另一只毛笔轻轻地刷藏在背后的真实左手，几次之后受试者对自己左手的认同就会从背后转移到桌上可以看见的橡皮手上。这时，如果让受试者右手握左手，多数人会抓住桌上的橡皮手。这是因为在脑中的世界图像中，左手的位置是不断地被眼睛看到图像修正的。看到橡皮手被刷的同时如果左手也传来被刷的神经信号，大脑就会修正内在地图中的左手位置，认为左手处于橡皮手的位置。

利用橡皮手错觉的原理可以让脑机接口产生身临其境的感觉。大脑皮层的身体感觉区上，头面唇舌和手脚的触觉占了很大区域，远远超过整个身体的其他部位。因此身临其境的感觉并不需要把整个身体包围在无数触觉装置中，而只需要在大脑的身体感觉区装置少量的电线。

脑在瓮中还有方向感吗？应该是有的。因为方向感是在脑中产生的内在感觉，并且被视觉信号不断修正的。为了体会一下脑中内在方向感的产生和不断被修正，你可以自己到宜家（瑞典家具店）做个小实验 。

很多国人喜欢把宜家当作自己家，休闲、品尝甚至午睡都很方便。宜家的设计风格是有多条弯弯曲曲的路，两边摆满展销的家具。当人进入宜家时，虽然失去了太阳，星星这些方向感的自然标记物，但头脑中产生的内在方向感依然存在，而在每一次转弯时内在方向感都会得到修正，比如开始面向南，左转90度后就会面向东。但是宜家的设计风格是有多条弯曲的小路，当人频繁地转小弯时，脑中的内在方向感会逐渐与现实的方向脱节，使人在出门的时候找不到北，以为自己是向东而实际是向西。

因为对人脑的直接实验受伦理的限制，对内在方向感的大批直接实验证据来自于对鼠脑的研究。在老鼠的脑中放置细小的电线，可以测量到大量标记方向、位置的神经电活动，甚至有的神经细胞像地图上的经纬度一样在空间中标度出网格。脑中放置的细电线不但可以用来测量，也可以用来影响老鼠的脑中世界，使老鼠产生错觉甚至植入对不存在经验的记忆。研究老鼠脑中标记位置和方向的神经活动是一项经典课题，于2014年获得诺贝尔奖。

所有研究都表明：大脑在清醒时不断地构筑世界的地图；不同的感觉信号随时帮助校政脑内地图，使之与真实的世界协同。所以，“眼见为实”只是一种朴素的唯物主义思想，经不住严格科学实验的推敲。

人与动物的主要区别在于，动物主要利用亲身经历构筑脑中世界，而人的脑中世界主要由间接经验或“概念”构成，概念是别人的直接经验总结和抽象而成。你、我、他、星期五、工资、隔壁老王，这些都是概念。可以说概念造成了人类文明。提几句苏联生理学家巴甫洛夫始创的一个理论。他认为语言是人类独有的“第二信号系统”。相比之下，非语言（视觉、听觉、触觉等）的“第一信号系统”是人和动物共有的。因此，第二信号系统是概念交流的主要媒介。两个信号系统理论在前苏联备受推崇，在改革开放前的中国教科书中也有相当的地位，但并不被欧美的科学家认同，因为后者受行为主义的影响，更接近唯物主义，认为语言只是产生条件反射的辅助因素。

瓮中之脑是对唯心主义的一种诠释。唯心主义认为世界是概念的集合，概念只活在我们心中。一个概念胜过多次实际经验。想要看到朝阳，心中要先有朝阳。心中有了朝阳，黑夜中也能看见曙光。与此相反，唯物主义认为世界是真实存在的，脑中的概念是对客观世界的反映。科学进展到今天，唯心主义越来越占上风。如果脑中没有朝阳这个概念，太阳便只是宇宙中一颗恒星，没有朝阳夕阳的区别。唯心主义结论让人难以下咽，主要是因为我们脑中的世界不断得到感官的修正，让我们觉得眼前的鲜花，尘世都是真实的。

普特南的瓮中之脑的讨论，深层的意义是我们是否能够只活在概念的世界里。肉身给我们的五官造成了第一信号系统，为了传递概念，语言形成了第二信号系统，那么脑机接口呢？也许可以叫做“第三信号系统”，带来人类文明的下一次升华。