我仍然保留著我製作的第一把石制手斧。那是一個相當粗糙的樣品，是從我在英格蘭西薩塞克斯郡一位農民的田野裡散步時撿到的一塊霜凍破裂的燧石上粗略敲擊下來的。它不會給50萬年前我們稱之為海德堡人的人類祖先留下深刻印象。這些智人的近親在附近的博克斯格羅夫考古遺址留下了更精美的手斧。儘管如此，我還是努力製作了這個簡單的切割工具，我為此感到自豪。然而，真正重要的是，我並非只是涉足一項新的愛好。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等關鍵問題，這些都是我們這個物種的標誌。
複製史前人類的技能以理解人類起源並非史無前例——考古學家已經做了幾十年了。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。
考古學家和神經科學家共同努力，將腦部掃描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，顱骨下會發生什麼。透過對大腦的這種觀察，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製作精良的斧頭或刀具。
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考古學家和神經科學家之間的這些合作復興了一個很大程度上被否定了的觀點：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年前他那本有影響力的著作《人是工具製造者》中斷言，工具製造是人類“主要的生物學特徵”，它驅動了我們“心理和身體協調能力”的進化。
隨著行為科學家記錄了猿類、烏鴉、海豚和章魚等非人類物種的工具使用甚至工具製造，這種觀點逐漸失寵。正如古生物學家路易斯·利基在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應中所說：“現在我們必須重新定義工具，重新定義人，或者接受黑猩猩是人類。”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“馬基雅維利式智力”和“社會大腦”假說認為，靈長類動物面臨的最大心理挑戰是勝過自己物種的其他成員，而不是掌握他們的物理環境。這些假說從對形成大型社會群體的靈長類動物物種也傾向於擁有較大腦容量的觀察中獲得了經驗支援。
但是，包括我們自己的在內的最新研究表明，“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，才能在我們的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學習製造它們的方式。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。他們特別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，放棄古代石器可能提供關於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人類祖先構成了足夠嚴峻的挑戰，從而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一些相同的大腦結構。
為了檢驗這些觀點，我們必須仔細分析古代工具是如何製造的，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似乎很奇怪。當我們第一次開始將裝滿岩石的車子推入最先進的神經影像實驗室時，我們確實得到了一些奇怪的目光。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），並觀察動物屍體的無情腐爛（埋藏學），以更好地理解它們是如何變成化石的。關於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，而更受控的實驗現在在石器技術研究中已經得到了很好的確立。
這些實驗的範圍近年來有所擴大。我的研究生導師——尼古拉斯·托特和凱西·希克，他們現在都在印第安納大學布盧明頓分校和石器時代研究所工作——在1990年提出了使用當時新開發的成像技術來研究製造舊石器時代工具時大腦中會發生什麼。在過去的15年中，我根據最初的想法進行了跟進，並將弄清楚當一個人敲擊一塊石頭時大腦內部會發生什麼作為我自己的研究的主要目標。
我的實驗室現在就像一個石器製造的學徒計劃。當我寫作時，我可以聽到新手打製者在我的辦公室外的工區堆放碎燧石的滴答、滴答、滴答聲。去年，那堆碎石的寬度達到了10英尺，高度達到了5英寸，並且包含了超過3000磅的破碎岩石。我透過窗戶看到博士後研究員納達·克雷舍俯身向一位受挫的學生提供建議。
克雷舍目前每週花費大約20個小時培訓20名學生（每人接受100小時的指導），學習古代的手斧製作藝術。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，以便我們稍後分析哪種學習技術效果最佳。我們收集並測量每個完成的人工製品，以跟蹤技能發展。學生必須進行重複的磁共振成像，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。
即使沒有別的，所有這些努力也教會我們，製作這些工具是困難的。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，想象不同種類的工具作為一種心理模板來複制的能力。我對此表示不同意。正如任何經驗豐富的工匠可能會告訴你的那樣，知道你想做什麼並不是難事。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的石頭、骨頭或鹿角“錘子”從石頭上敲擊剝落薄片，將其塑造成有用的工具。這項工作需要強有力的打擊，精確到幾分之一英寸之內，並且傳遞速度太快，無法進行半途修正。就像鑿大理石雕塑一樣，每次敲擊都會移除一些無法放回原位的東西。即使是很小的錯誤也可能損害整個工件。
運動科學家布蘭丁·布里爾和她在巴黎社會科學高等研究院的同事使用運動跟蹤系統表明，與新手不同，經驗豐富的打製者會調整打擊力的大小，以產生不同尺寸的薄片。只有透過長期而艱苦的實踐獲得必要的控制後，才能將一系列這樣的打擊串聯起來，以實現抽象的設計目標，例如手斧。
我們的祖先在學習製造石器時也面臨著同樣的挑戰，他們的生活可能取決於是否成功做到這一點。工具製造的需求——加上用於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Homo artifex——拉丁語單詞artifex表示技能、創造力和工藝。
大腦中的工具
教學生加工石頭並不是學習史前實踐的唯一技術挑戰。標準腦部成像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內不利於打製，儘管您可能會想小睡一下。
在我們的早期實驗中，我們透過使用一種稱為FDG-PET（氟代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。用於PET成像大腦活動的放射性分子的靜脈輸液管需要注射到腳部，以便打製者可以使用他們的手，這是一個有些痛苦的過程。然後，測試物件可以在自由地敲擊註定要成為斧頭或刀具的石塊，同時示蹤劑被大腦中代謝活躍的組織吸收。在受試者完成後，我們進行掃描以確定化學物質在大腦中的哪個位置積累。
使用這種技術，我開始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末期，這是一個從260萬年前到20萬年前的關鍵進化時期，當時人族（人類及其已滅絕的祖先）的大腦容量幾乎增加了兩倍。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，這些要求在數千年裡，可能透過自然選擇導致了大腦的擴張。
圖片由蒂埃裡·查米納德提供蒂莫訥神經科學研究所，艾克斯-馬賽大學
奧爾德沃工具製造（以坦尚尼亞的奧杜威峽谷命名，那裡是20世紀中期古人類學家-考古學家路易斯和瑪麗·利基團隊首次描述它的地方）涉及從礫石巖芯上敲擊鋒利的薄片。這些簡單的岩石薄片成為人類的第一批“刀具”。從概念上講，工具製造不會再簡單多少了。但我們早期的PET資料證實，實際的打製過程仍然是一項要求很高的任務，遠遠超出僅僅是將岩石敲擊在一起。
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，他們學會了識別並關注巖芯的特定特徵，例如，關注突出的區域，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的不同活動模式中，練習前後有所不同。但即使對於人類最早的技術來說，四個小時的練習時間也不算長。
在真正有經驗的打製者中，他們可以接近真實奧爾德沃工具製造者的記錄在案的技能，可以看到一些不同的東西。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期間施加力的大小的能力來區分自己，以便有效地從巖芯上分離薄片。在專家的腦海中，這種技能刺激了頂葉上緣回的活動增加，該區域參與對身體在空間環境中的位置的意識。
大約170萬年前，基於薄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，後者涉及製造更精密的工具，例如淚滴形手斧。一些晚期阿舍利手斧——例如來自英國博克斯格羅夫遺址的那些可以追溯到50萬年前的手斧——形狀非常精細，橫截面薄，具有三維對稱性和鋒利、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，這種技術不僅需要精確的控制，還需要經過仔細推理的計劃。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，會進行計劃好的剝片序列，這些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，同時牢記完成斧頭的總體目標，抵制走捷徑的誘惑。從痛苦的經驗中我知道，你不能欺騙石頭斷裂的物理原理。當你感到疲倦或沮喪時，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一個特徵性訊號。奧爾德沃和阿舍利打製都涉及一些相同的區域。但我們的阿舍利PET資料也顯示，啟用延伸到前額葉皮層的一個特定區域，稱為右下額回。加州大學聖地亞哥分校的亞當·阿倫等神經科學家數十年的研究表明，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有關。
此後，我們透過使用MRI驗證了我們的PET結果，MRI提供了更高解析度的成像。為了做到這一點，我們必須想辦法讓受試者保持靜止不動。我與社會神經科學家蒂埃裡·查米納德（現任法國艾克斯-馬賽大學蒂莫訥神經科學研究所）合作，要求受試者靜靜地躺在掃描器中，觀看打製影片，而不是實際嘗試製作工具。這種方法是可行的，因為正如查米納德和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，就像我們執行它們一樣。儘管方法不同，但我們發現奧爾德沃和阿舍利打製都在大腦的視覺運動區域發現了相同的反應——並且當受試者觀看晚期阿舍利工具的製作時，右下額回的活動增加。
我們得出的結論是，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，但阿舍利方法還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，大腦容量增長最快的時期之一發生在晚期阿舍利文化時期。但這一發現並沒有確定哪個事件是原因，哪個事件是結果。工具製造實際上是否推動了Homo artifex的大腦進化，還是僅僅是順便發生的？為了解決這個問題，我們需要更加認真地研究大腦是如何學習製造工具的。
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。如果我曾與老師一起工作或成為工具製造社群的一員，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，英國埃克塞特大學的考古學教授、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。布拉德利希望培養下一代英國學術打製者，他認為我可能想收集一些神經影像資料，以更好地瞭解學習過程。他是對的——我確實想。
我特別興奮地想嘗試的一件事是一種相對較新的技術，稱為擴散張量成像（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，由當時的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來展示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塑。如果是這樣，我們想知道哪些迴路受到了影響。如果我們的想法是正確的，我們希望能夠瞥見工具製造是否真的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。
答案結果是響亮的肯定：打製練習增強了連線我們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下額回，該區域對於認知控制至關重要。這些變化的程度可以從每個受試者花費的實際練習小時數來預測——一個人練習得越多，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始材料，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增強學習新技巧的容易程度、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Homo artifex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的是，我們觀察到的解剖學反應是否與人類大腦中的特定進化發展相平行。化石頭骨無法提供關於內部大腦結構變化的詳細資訊，因此我們轉向了下一個最好的選擇：與我們最親近的活著的親戚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埃琳·海克特的幫助，她現在在佐治亞州立大學工作，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獲得了我們需要的精確資料和專業知識。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。它證實了我們所懷疑的：在我們的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，尤其是在與右下額回的連線方面。這一發現成為我自1990年代後期作為研究生以來一直在組裝的從古代人工製品到行為、認知和大腦進化的推理鏈中的最後一環。它為舊觀點提供了強有力的新支援，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。
透過鑰匙孔
我喜歡石器，但它們只為我們提供了了解我們祖先複雜生活的極其狹窄的鑰匙孔視角。就像地質學家使用地震儀一樣，訣竅是將來自工具製造神經科學的這些知識片段轉化為豐富的石器時代生存模型。
儘管來自石器的證據有限，但我們本可能會做得更糟。學習石器製造與學習許多學術技能花費的時間一樣多：典型的美國大學課程應該需要大約150個小時的工作（在一個15周的學期內每週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，並且到最後仍然在為阿舍利手斧的製作而苦苦掙扎。也許我不應該為我學習花費的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，這兩者都是從進化的角度來看有趣的屬性。
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，沒有自我控制的“棍棒”，激勵性的“胡蘿蔔”只能帶你走這麼遠。自我控制能力——抑制適得其反的衝動——對於許多種認知技能至關重要。事實上，杜克大學的埃文·麥克萊恩領導的最新研究發現，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刻的理解，這很難透過自學獲得。打製的學習曲線遵循階梯模式：大多數時候你只需要練習和鞏固技能，但偶爾，一點建議會將你帶到下一個水平。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。
學習的一個好方法就是簡單地觀看。儘管稱某人為好的模仿者可能被視為一種侮辱，但比較心理學家已經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·惠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迫性、高保真複製技能。
僅僅模仿就足夠了嗎？你可能會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。我們想知道的是，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，以檢驗知識是如何從一個人傳遞到另一個人的。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可能有一天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·布羅卡的經典左下額回“語言”區域為例。
自1990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工動作。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。例如，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》中充分闡述了這一觀點。
我們自己對石器製造的影像學研究結果最近促使我們提出，包括下額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，除了堆積成山的碎燧石外，還將使我們能夠檢驗這一假設。