我仍然留著我製作的第一把石制手斧。這是一個相當糟糕的標本，粗糙地從我在英格蘭西薩塞克斯郡一位農民的田地裡散步時撿到的一塊霜凍破裂的燧石上敲擊而成。它不會給被稱為海德堡人的我們的祖先留下深刻印象。這些來自 50 萬年前的智人近親在附近的博克斯格羅夫考古遺址留下了更好的手斧。
儘管如此，我還是努力製作這個簡單的切割工具，我為此感到自豪。然而，真正重要的是，我不僅僅是在涉足一個新的愛好。重要的是，我的涉足旨在探索人類進化以及語言和文化的出現的關鍵問題，這些都是我們這個物種的標誌。
複製史前人類的技能來理解人類起源並非史無前例——考古學家已經這樣做了幾十年。然而，在過去的 15 年裡，我們已經將這種方法帶入了令人興奮的新方向。
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考古學家和神經科學家共同努力，將腦部掃描機器應用於觀察現代工具製造者耐心地敲擊石頭，將其塑造成手斧時，頭骨下發生了什麼。透過這種對大腦的觀察，我們希望確定哪些區域可能已經進化，以幫助舊石器時代的人們從一塊不成形的岩石中鑿出一把製作精良的斧頭或刀。
考古學家和神經科學家之間的這些合作重新復興了一個基本上已被否定的觀點：工具製造是人類進化的重要驅動力。英國人類學家肯尼斯·奧克利在 70 年前他頗具影響力的著作《人是工具製造者》中assert道，工具製造是人類的“主要生物學特徵”，它驅動了我們“精神和身體協調能力”的進化。
隨著行為科學家記錄了猿、烏鴉、海豚和章魚等非人類物種的工具使用甚至工具製造，這一觀點逐漸失寵。正如古生物學家路易斯·利基在他 1960 年對簡·古道爾關於黑猩猩使用工具的歷史性首次報告的著名回覆中所說：“現在我們必須重新定義工具，重新定義人，或者接受黑猩猩作為人類。” 對於許多科學家來說，複雜的社會關係取代了工具製造，成為靈長類動物大腦進化的中心因素。在 20 世紀 80 年代和 90 年代，有影響力的“馬基雅維利智力”和“社會腦”假說認為，靈長類動物面臨的最大精神挑戰是智勝自己物種的其他成員，而不是掌握他們的物理環境。這些假說從靈長類動物物種形成大型社會群體也往往具有較大腦容量的觀察中獲得了經驗支援。
但是，包括我們自己的研究在內的最新工作表明，“人是工具製造者”的觀點並沒有消亡（儘管奧克利的語言顯然已經過時）。工具製造不必是人類獨有的才能在我們進化中發揮重要作用。重要的是我們製造的工具型別以及我們如何學習製造它們。在靈長類動物中，人類在相互學習的能力方面真正脫穎而出。他們尤其擅長模仿別人的行為。模仿是學習複雜技術技能的先決條件，並且被認為是我們人類文化以其他猿類不具備的方式積累知識的驚人能力的基礎。因此，拋棄古代石器可能提供有關人類認知進化的重要資訊的觀點似乎為時過早。教授和學習日益複雜的工具製造甚至可能對我們的祖先構成了足夠強大的挑戰，以至於刺激了人類語言的進化。事實上，許多神經科學家現在認為，語言技能和手動技能都依賴於某些相同的大腦結構。
為了檢驗這些觀點，我們必須仔細分析古代工具的製作方法，並將這些發現與相關大腦系統進化方式的證據進行比較。在研究這些問題時，我們遇到了直接的困難，因為化石記錄中既沒有大腦也沒有行為。鑑於證據的匱乏，我們唯一的補救辦法是在實驗室環境中模擬數千年前代代相傳的技能型別。因此，我的學生、合作者和我花了多年時間試圖模仿舊石器時代工具製造者的技能。
實驗考古學
使用現代腦部掃描技術來研究人類最古老的一些技術可能看起來很奇怪。當我們第一次開始將一車車的岩石推入最先進的神經影像實驗室時，確實引來了一些有趣的目光。但是，考古學家進行實驗並沒有什麼令人驚訝的。研究現在長期以來一直是理解過去的最重要方法之一。科學家們設計了實驗來複制古代冶煉技術（考古冶金學），並觀察動物屍體無情的腐爛（埋藏學），以便更好地瞭解它們如何化石化。石器製造的隨意實驗——考古學家稱之為“打製”——可以追溯到 19 世紀，更受控的實驗現在在石器技術研究中已經確立。
近年來，這些實驗的範圍不斷擴大。我的研究生導師——尼古拉斯·托特和凱西·希克（現在都在印第安納大學布盧明頓分校和石器時代研究所）——在 1990 年提出使用當時新開發的成像技術來研究製作舊石器時代工具時大腦中發生了什麼。在過去 15 年裡，我一直致力於跟蹤這個最初的想法，並將弄清楚當一個人敲擊一塊石頭時大腦內部發生了什麼作為我自己的研究的主要目標。
我的實驗室現在有點像石器製造的學徒計劃。當我寫作時，我能聽到新手打製者在我的辦公室外面的工作區裡給一堆碎燧石新增更多碎片時發出的滴答、滴答、滴答聲。去年，那堆碎石達到了 10 英尺寬，五英寸高，包含超過 3000 磅的碎石。我透過窗戶看著博士後研究員納達·克雷謝傾身向一位沮喪的學生提供建議。
克雷謝目前每週花費約 20 小時培訓 20 名學生（每人接受 100 小時的指導），學習古老的手斧製作藝術。這是我們迄今為止最雄心勃勃的專案。每個培訓課程都進行了影片錄製，以便我們以後能夠分析哪些學習技巧效果最好。我們收集和測量每個完成的製品，以跟蹤技能發展。學生必須接受重複的磁共振成像檢查，以檢查不斷變化的大腦結構和功能，以及心理測試，以檢視特定能力（例如計劃或短期記憶）是否可能與工具製造能力相關。這是一項巨大的工作量，但對於理解這種史前技術的微妙之處至關重要。
如果說這項努力教會了我們什麼，那就是製作這些工具很困難。但我們想知道的是為什麼它如此困難。奧克利和其他“人是工具製造者”論點的支持者認為，工具製造的關鍵是“人類獨有的”抽象思維能力——也就是說，將不同型別的工具想象成一種要複製的心理模板的能力。我對此表示不同意。正如任何經驗豐富的工匠可能會告訴您的那樣，知道您想製作什麼並不是最難的部分。困難在於實際製作它。
打製手斧需要新手工匠掌握一種打擊技術，該技術涉及使用手持式石頭、骨頭或鹿角“錘子”從石頭上敲擊碎片，將其塑造成有用的工具。這項工作需要強有力的敲擊，精確到幾毫米以內，敲擊速度太快，無法進行揮杆中校正。就像鑿大理石雕塑一樣，每次敲擊都會去除一些無法放回原處的東西。即使是小錯誤也可能損害整個工件。
運動跟蹤系統運動科學家布蘭丁·布里爾和她在巴黎社會科學高階研究學院的同事已經表明，與新手不同，經驗豐富的打製者會調整敲擊力以產生不同尺寸的碎片。只有透過長期而艱苦的練習才能獲得必要的控制，才能將一系列這樣的敲擊串在一起，以實現抽象的設計目標，例如手斧。
我們的祖先在學習製作石器時也面臨著同樣的挑戰，他們的生活可能取決於在這方面是否成功。工具製造的需求——加上教授這些技能的複雜社會互動——可能已成為人類認知進化的驅動力。我們將奧克利“人是工具製造者”假說的現代重啟標記為匠人——拉丁語artifex表示技能、創造力和工藝。
大腦中的工具
教學生製作石頭並不是瞭解史前實踐的唯一技術挑戰。標準腦部成像技術不利於研究石器製造的某些方面。如果您曾經在 MRI 機器中進行過掃描，您可能還記得被明確告知不要移動，因為這會破壞影像。不幸的是，靜靜地躺在兩英尺寬的管子裡不利於打製，儘管您可能會想小睡一會兒。
在我們的早期實驗中，我們透過使用一種稱為 FDG-PET（氟脫氧葡萄糖正電子發射斷層掃描）的腦部成像技術來規避這個問題。為 PET 中使用的放射性分子提供靜脈輸液管以對大腦活動進行成像需要注射到腳部，以便打製者可以使用他們的手，這是一個有點痛苦的過程。然後，測試物件可以在自由地敲擊註定要成為斧頭或刀的石塊，同時示蹤劑被大腦中代謝活躍的組織吸收。受試者完成後，我們進行掃描以確定化學物質在大腦中的哪個位置積累。
使用這項技術，我著手研究兩種石器時代技術——奧爾德沃文化和晚期阿舍利文化——它們涵蓋了舊石器時代早期和晚期，這是一個從 260 萬年前到 20 萬年前的關鍵進化時期，當時人科動物（人類及其已滅絕的祖先）的大腦大小几乎增加了兩倍。我們想在我的實驗室中探索的問題是，這些技術的發展是否對大腦提出了新的要求，而這些要求經過數千年可能會透過自然選擇導致大腦的擴張。
奧爾德沃工具製造（以坦尚尼亞的奧杜威峽谷命名，古人類學家-考古學家路易斯和瑪麗·利基於 20 世紀中期首次在那裡描述了它）涉及從卵石巖芯中敲擊出鋒利的碎片。這些簡單的岩石碎片成為人類的第一把“刀”。從概念上講，工具製造再簡單不過了。但我們早期的 PET 資料證實，實際的打製過程仍然是一項艱鉅的任務，遠遠超出了簡單地將岩石敲擊在一起的範圍。
在我們的研究中，我們允許參與者在沒有任何指導的情況下練習四個小時。當他們熟悉這項任務後，他們學會了識別和關注巖芯的特定特徵，例如，專注於伸出的區域，這些區域更容易破碎。這種學習實際上反映在大腦後部視覺皮層在練習前後的不同活動模式中。但是，即使對於人類最早的技術來說，四個小時的練習時間也不是很長。
在真正有經驗的打製者中，他們可以接近真實的奧爾德沃工具製造者的記錄技能，情況就有所不同了。正如布里爾和她的同事所表明的那樣，經驗豐富的工具製造者透過他們控制打擊過程中施加的力的大小來區分自己，以便有效地從巖芯上分離碎片。在專家的腦海中，這項技能刺激了頂葉上緣回的活動增加，該區域參與了對身體在空間環境中位置的意識。
大約 170 萬年前，基於碎片的奧爾德沃技術開始被阿舍利技術（以法國的聖阿舍爾命名）所取代，後者涉及製造更復雜的工具，例如淚滴形手斧。一些晚期阿舍利手斧——例如，來自英格蘭博克斯格羅夫遺址的手斧，其歷史可以追溯到 50 萬年前——形狀非常精細，具有薄橫截面、三維對稱性和鋒利、規則的邊緣，所有這些都表明了高水平的打製技能。
現代打製者知道，這項技術不僅需要精確控制，還需要仔細合理的計劃。就像高爾夫球手選擇合適的球杆一樣，打製者在使用各種“硬”（石頭）和“軟”（鹿角/骨頭）錘子時，會進行有計劃的剝片序列，準備巖芯邊緣和表面以按所需的模式斷裂。他們必須在不同的子任務之間來回切換，同時牢記成品斧頭的總體目標，抵制走捷徑的誘惑。我從痛苦的經驗中知道，你無法欺騙石頭斷裂的物理原理。當您感到疲倦或沮喪時，最好就此結束一天的工作。
打製晚期阿舍利工具的需求也在腦部掃描器中產生了特徵性簽名。舊石器時代和阿舍利文化打製都涉及一些相同的區域。但我們的阿舍利文化 PET 資料還顯示，啟用延伸到前額葉皮層的特定區域，稱為右側額下回。加州大學聖地亞哥分校的亞當·阿隆等神經科學家數十年的研究已將該區域與在不同任務之間切換和抑制不適當反應所需的認知控制聯絡起來。
此後，我們透過使用 MRI 證實了我們的 PET 結果，MRI 提供了更高解析度的成像。為此，我們必須找到一種方法來保持受試者不動。我與法國艾克斯-馬賽大學蒂莫內神經科學研究所的社會神經科學家蒂埃裡·查米納德合作，要求受試者靜靜地躺在掃描器中，觀看打製影片，而不是真正嘗試製作工具。這種方法是可行的，因為正如查米納德和許多其他人所表明的那樣，我們使用許多相同的大腦系統來理解觀察到的動作，就像我們執行這些動作一樣。儘管方法不同，但我們發現舊石器時代和阿舍利文化打製的大腦視覺運動區域的反應相同——並且當受試者觀看晚期阿舍利工具的製作過程時，右側額下回的活動增加。
我們得出結論，學習要求苛刻的身體技能對於人類技術進化的早期奧爾德沃階段非常重要，但阿舍利方法也需要前額葉皮層提供的更高水平的認知控制。事實上，這一觀察結果與化石證據非常吻合，化石證據表明，在過去兩百萬年中，大腦大小增長最快的時期之一發生在晚期阿舍利文化時期。但是，這一發現並未確定哪個事件是原因，哪個事件是結果。工具製造是否真的推動了匠人的大腦進化，還是僅僅是順帶發生的？為了解決這個問題，我們需要更加認真地研究大腦如何學習製造工具。
學習與進化
我花了大約 300 個小時的練習才達到博克斯格羅夫晚期阿舍利工具製造者的技能水平。如果我與老師一起工作或成為工具製造社群的一份子，學習過程可能會更快。但我真的不確定。儘管進行了數十年的實驗性打製，但幾乎沒有對學習過程進行系統的研究。2008 年，英國埃克塞特大學考古學教授、長期從事實驗性打製的布魯斯·布拉德利邀請我來彌補我們知識中的這一空白。布拉德利想培養下一代英國學術打製者，他認為我可能會沿途收集一些神經影像資料，以便更好地瞭解學習過程。他是對的——我確實這樣做了。
我特別興奮嘗試的一件事是一種相對較新的技術，稱為彌散張量成像 (DTI)，這是一種 MRI 形式，允許科學家繪製作為大腦“佈線”的白質纖維束。2004 年，當時在德國雷根斯堡大學的博格丹·德拉甘斯基領導的一個小組使用 DTI 顯示了志願者學習雜耍時大腦的結構變化，這挑戰了成人大腦結構相對固定的傳統觀點。
我們懷疑學習打製也需要一定程度的神經重連。如果是這樣，我們想知道哪些迴路受到影響。如果我們的想法是正確的，我們希望瞥見工具製造是否實際上可以在小範圍內引起與人類進化過程中發生的相同型別的個體解剖學變化。
結果證明是響亮的肯定：打製練習增強了連線我們在 PET 和 MRI 研究中確定的相同額葉和頂葉區域的白質束，包括前額葉皮層的右側額下回，該區域對於認知控制至關重要。這些變化的程度可以根據每個受試者花費的實際練習小時數來預測——練習越多，他們的白質變化就越大。
大腦變化——神經科學家稱之為“可塑性”——為進化變化提供了原材料，這種效應被稱為表型適應。可塑性使物種能夠靈活地嘗試新的行為——“突破”他們當前適應的“界限”。如果他們碰巧發現了一個好技巧，它就會進入他們的行為庫，進化競賽就開始了：自然選擇將有利於任何可以增強學習新技巧的容易性、效率或可靠性的變異。因此，我們的結果提供了重要的證據，證明匠人的觀點是可行的——並且工具製造可能實際上透過已知的進化機制推動了大腦的變化。
掌握了這些資訊後，我們接下來需要知道我們觀察到的解剖學反應是否與人類大腦的特定進化發展相平行。化石頭骨無法提供有關內部大腦結構變化的詳細資訊，因此我們轉向了次優選擇：與我們最親近的現存親屬之一黑猩猩進行直接比較。
幸運的是，我已經爭取到了埃默裡大學最近的博士畢業生艾琳·海克特的幫助（她現在在佐治亞州立大學），來協助進行 DTI 分析。海克特比較黑猩猩和人類神經解剖學的論文工作使她能夠獲得我們所需的資料和專業知識。去年發表的結果是對這兩個物種的白質束進行基於 DTI 的虛擬解剖，這將識別相關大腦回路中的任何差異。它證實了我們一直懷疑的事情：我們在 PET、MRI 和 DTI 研究中確定的工具製造迴路在人類中確實比在黑猩猩中更廣泛，尤其是在與右側額下回的連線方面。這一發現成為我自 20 世紀 90 年代末作為研究生以來一直在組裝的從古代文物到行為、認知和大腦進化的推論鏈中的最後一環。它為舊觀點提供了強大的新支援，即舊石器時代的工具製造有助於塑造現代思維。然而，這遠非故事的結局。
透過鎖眼
我喜歡石器，但它們只為我們提供了對我們祖先複雜生活的最狹窄的鎖眼視角。就像地質學家使用地震儀一樣，訣竅是將這些來自工具製造神經科學的知識片段轉化為豐富的石器時代存在模型。
儘管來自石器的證據有限，但我們本可能會做得更糟。石器製造與許多學術技能一樣需要花費時間來學習：典型的美國大學課程應該需要大約 150 個小時的工作量（一個 15 周的學期每週 10 個小時）。在與布拉德利的研究中，受訓者平均記錄了 167 個小時的練習，並且到最後仍在努力製作阿舍利手斧。也許我不應該對學習花費 300 個小時感到太難過。但是堅持如此乏味和令人沮喪的練習方案需要動力和自我控制，這都是從進化角度來看很有趣的屬性。
動力可以來自外部的老師，也可以來自對未來獎勵的內部預期。許多研究人員認為教學是人類文化的決定性特徵，而預測未來顯然對於從社會關係到技術問題解決的一切都至關重要。
當然，如果沒有自我控制的“棒子”，激勵性的“胡蘿蔔”也只能帶您走那麼遠。行使自我控制的能力——抑制適得其反的衝動——對於許多型別的認知技能至關重要。事實上，杜克大學埃文·麥克林最近領導的一項研究發現，在 36 種鳥類和哺乳動物中，自我控制和未來規劃與更大的大腦容量相關。我們自己的工作現在已經積累了證據，將成功的手斧製作與自我控制和未來規劃的大腦系統聯絡起來——提供了與跨物種大腦容量進化的比較證據的直接聯絡。
除了展示動力和自我控制之外，工具製造者還必須對正在加工的石頭的特性達到深入的理解，這很難透過自學獲得。打製的學習曲線遵循階梯模式：大多數時候您只需要練習和鞏固技能，但偶爾，一些建議會將您帶到下一個級別。儘管有時有可能獨立發現石器製造的訣竅，但向他人學習確實有優勢。
一種好的學習方法就是觀看。儘管稱某人為好的模仿者可能會被視為一種侮辱，但比較心理學家已經開始認識到忠實的複製是人類文化的支柱。蘇格蘭聖安德魯斯大學的安德魯·懷滕和許多其他人的工作表明，猿類具有一定的模仿能力，但遠不及人類兒童和成人的強制性、高保真複製技能。
僅靠模仿就足夠了嗎？您或許可以透過觀看足夠多的比賽來弄清楚國際象棋，但如果有人解釋策略和戰術的細微之處，那會容易得多。我們想知道這是否也適用於石器製造和其他史前技能。加州大學伯克利分校的托馬斯·摩根和他的同事最近進行了一項石器製造實驗，以檢驗知識如何在人與人之間傳遞。他們表明，當教學使用語言而不是僅僅演示技能時，學習優勢顯著。沿著這些思路進行的進一步實驗有一天可能會幫助回答人類語言何時以及為何進化的偉大謎團。
教學不是工具製造和語言之間唯一可能的聯絡。神經科學家認識到，人類大腦的大多數區域執行與各種不同行為相關的基本計算。例如，以 19 世紀人類學家保羅·布羅卡的經典左側額下回“語言”區為例。
自 20 世紀 90 年代以來，新的研究表明，布羅卡區不僅有助於語言，還有助於音樂、數學和理解複雜的手動動作。這種認識重新激發了長期以來的觀點，即工具製造以及人類透過手勢進行交流的傾向可能已成為語言的關鍵進化先兆。美國南加州大學的邁克爾·A·阿比卜在他的 2012 年著作《大腦如何獲得語言》中對這一觀點進行了最充分的闡述。
我們自己對石器製造的影像學研究結果最近使我們提出，包括額下回在內的神經迴路經歷了變化，以適應舊石器時代工具製造的需求，然後被共同選擇來支援使用手勢以及可能還有發聲的原始形式的交流。然後，這種原始語言交流將受到選擇，最終產生支援現代人類語言的特定適應性。我們正在進行的實驗，除了堆積成堆的碎燧石外，還將使我們能夠檢驗這一假設。