我仍然保留着我制作的第一把石制手斧。那是一个相当粗糙的样品，是从我在英格兰西萨塞克斯郡一位农民的田野里散步时捡到的一块霜冻破裂的燧石上粗略敲击下来的。它不会给50万年前我们称之为海德堡人的人类祖先留下深刻印象。这些智人的近亲在附近的博克斯格罗夫考古遗址留下了更精美的手斧。尽管如此，我还是努力制作了这个简单的切割工具，我为此感到自豪。然而，真正重要的是，我并非只是涉足一项新的爱好。重要的是，我的涉足旨在探索人类进化以及语言和文化的出现等关键问题，这些都是我们这个物种的标志。
复制史前人类的技能以理解人类起源并非史无前例——考古学家已经做了几十年了。然而，在过去的15年里，我们已经将这种方法带入了令人兴奋的新方向。
考古学家和神经科学家共同努力，将脑部扫描仪应用于观察现代工具制造者耐心地敲击石头，将其塑造成手斧时，颅骨下会发生什么。通过对大脑的这种观察，我们希望确定哪些区域可能已经进化，以帮助旧石器时代的人们从一块不成形的岩石中凿出制作精良的斧头或刀具。
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考古学家和神经科学家之间的这些合作复兴了一个很大程度上被否定了的观点：工具制造是人类进化的重要驱动力。英国人类学家肯尼斯·奥克利在70年前他那本有影响力的著作《人是工具制造者》中断言，工具制造是人类“主要的生物学特征”，它驱动了我们“心理和身体协调能力”的进化。
随着行为科学家记录了猿类、乌鸦、海豚和章鱼等非人类物种的工具使用甚至工具制造，这种观点逐渐失宠。正如古生物学家路易斯·利基在1960年对简·古道尔关于黑猩猩使用工具的历史性首次报告的著名回应中所说：“现在我们必须重新定义工具，重新定义人，或者接受黑猩猩是人类。”对于许多科学家来说，复杂的社会关系取代了工具制造，成为灵长类动物大脑进化的中心因素。在20世纪80年代和90年代，有影响力的“马基雅维利式智力”和“社会大脑”假说认为，灵长类动物面临的最大心理挑战是胜过自己物种的其他成员，而不是掌握他们的物理环境。这些假说从对形成大型社会群体的灵长类动物物种也倾向于拥有较大脑容量的观察中获得了经验支持。
但是，包括我们自己的在内的最新研究表明，“人是工具制造者”的观点并没有消亡（尽管奥克利的语言显然已经过时）。工具制造不必是人类独有的，才能在我们的进化中发挥重要作用。重要的是我们制造的工具类型以及我们学习制造它们的方式。在灵长类动物中，人类在相互学习的能力方面真正脱颖而出。他们特别擅长模仿别人的行为。模仿是学习复杂技术技能的先决条件，并且被认为是我们人类文化以其他猿类不具备的方式积累知识的惊人能力的基础。因此，放弃古代石器可能提供关于人类认知进化的重要信息的观点似乎为时过早。教授和学习日益复杂的工具制造甚至可能对我们的人类祖先构成了足够严峻的挑战，从而刺激了人类语言的进化。事实上，许多神经科学家现在认为，语言技能和手动技能都依赖于一些相同的大脑结构。
为了检验这些观点，我们必须仔细分析古代工具是如何制造的，并将这些发现与相关大脑系统进化方式的证据进行比较。在研究这些问题时，我们遇到了直接的困难，因为化石记录中既没有大脑也没有行为。鉴于证据的匮乏，我们唯一的办法是在实验室环境中模拟数千年前代代相传的技能类型。因此，我的学生、合作者和我花了多年时间试图模仿旧石器时代工具制造者的技能。
实验考古学
使用现代脑部扫描技术来研究人类最古老的一些技术似乎很奇怪。当我们第一次开始将装满岩石的车子推入最先进的神经影像实验室时，我们确实得到了一些奇怪的目光。但是考古学家进行实验并没有什么令人惊讶的。研究现在长期以来一直是理解过去的最重要方法之一。科学家们设计了实验来复制古代冶炼技术（考古冶金学），并观察动物尸体的无情腐烂（埋藏学），以更好地理解它们是如何变成化石的。关于石器制造的随意实验——考古学家称之为“打制”——可以追溯到19世纪，而更受控的实验现在在石器技术研究中已经得到了很好的确立。
这些实验的范围近年来有所扩大。我的研究生导师——尼古拉斯·托特和凯西·希克，他们现在都在印第安纳大学布卢明顿分校和石器时代研究所工作——在1990年提出了使用当时新开发的成像技术来研究制造旧石器时代工具时大脑中会发生什么。在过去的15年中，我根据最初的想法进行了跟进，并将弄清楚当一个人敲击一块石头时大脑内部会发生什么作为我自己的研究的主要目标。
我的实验室现在就像一个石器制造的学徒计划。当我写作时，我可以听到新手打制者在我的办公室外的工区堆放碎燧石的滴答、滴答、滴答声。去年，那堆碎石的宽度达到了10英尺，高度达到了5英寸，并且包含了超过3000磅的破碎岩石。我透过窗户看到博士后研究员纳达·克雷舍俯身向一位受挫的学生提供建议。
克雷舍目前每周花费大约20个小时培训20名学生（每人接受100小时的指导），学习古代的手斧制作艺术。这是我们迄今为止最雄心勃勃的项目。每个培训课程都进行了视频录制，以便我们稍后分析哪种学习技术效果最佳。我们收集并测量每个完成的人工制品，以跟踪技能发展。学生必须进行重复的磁共振成像，以检查不断变化的大脑结构和功能，以及心理测试，以查看特定能力（例如计划或短期记忆）是否可能与工具制造能力相关。这是一项巨大的工作量，但对于理解这种史前技术的微妙之处至关重要。
即使没有别的，所有这些努力也教会我们，制作这些工具是困难的。但我们想知道的是为什么它如此困难。奥克利和其他“人是工具制造者”论点的支持者认为，工具制造的关键是“人类独有的”抽象思维能力——也就是说，想象不同种类的工具作为一种心理模板来复制的能力。我对此表示不同意。正如任何经验丰富的工匠可能会告诉你的那样，知道你想做什么并不是难事。困难在于实际制作它。
打制手斧需要新手工匠掌握一种打击技术，该技术涉及使用手持的石头、骨头或鹿角“锤子”从石头上敲击剥落薄片，将其塑造成有用的工具。这项工作需要强有力的打击，精确到几分之一英寸之内，并且传递速度太快，无法进行半途修正。就像凿大理石雕塑一样，每次敲击都会移除一些无法放回原位的东西。即使是很小的错误也可能损害整个工件。
运动科学家布兰丁·布里尔和她在巴黎社会科学高等研究院的同事使用运动跟踪系统表明，与新手不同，经验丰富的打制者会调整打击力的大小，以产生不同尺寸的薄片。只有通过长期而艰苦的实践获得必要的控制后，才能将一系列这样的打击串联起来，以实现抽象的设计目标，例如手斧。
我们的祖先在学习制造石器时也面临着同样的挑战，他们的生活可能取决于是否成功做到这一点。工具制造的需求——加上用于教授这些技能的复杂社会互动——可能已成为人类认知进化的驱动力。我们将奥克利“人是工具制造者”假说的现代重启标记为Homo artifex——拉丁语单词artifex表示技能、创造力和工艺。
大脑中的工具
教学生加工石头并不是学习史前实践的唯一技术挑战。标准脑部成像不利于研究石器制造的某些方面。如果您曾经在MRI机器中进行过扫描，您可能还记得被明确告知不要移动，因为这会破坏图像。不幸的是，静静地躺在两英尺宽的管子内不利于打制，尽管您可能会想小睡一下。
在我们的早期实验中，我们通过使用一种称为FDG-PET（氟代脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描）的脑部成像技术来规避这个问题。用于PET成像大脑活动的放射性分子的静脉输液管需要注射到脚部，以便打制者可以使用他们的手，这是一个有些痛苦的过程。然后，测试对象可以在自由地敲击注定要成为斧头或刀具的石块，同时示踪剂被大脑中代谢活跃的组织吸收。在受试者完成后，我们进行扫描以确定化学物质在大脑中的哪个位置积累。
使用这种技术，我开始研究两种石器时代技术——奥尔德沃文化和晚期阿舍利文化——它们涵盖了旧石器时代早期和末期，这是一个从260万年前到20万年前的关键进化时期，当时人族（人类及其已灭绝的祖先）的大脑容量几乎增加了两倍。我们想在我的实验室中探索的问题是，这些技术的发展是否对大脑提出了新的要求，这些要求在数千年里，可能通过自然选择导致了大脑的扩张。
图片由蒂埃里·查米纳德提供蒂莫讷神经科学研究所，艾克斯-马赛大学
奥尔德沃工具制造（以坦桑尼亚的奥杜威峡谷命名，那里是20世纪中期古人类学家-考古学家路易斯和玛丽·利基团队首次描述它的地方）涉及从砾石岩芯上敲击锋利的薄片。这些简单的岩石薄片成为人类的第一批“刀具”。从概念上讲，工具制造不会再简单多少了。但我们早期的PET数据证实，实际的打制过程仍然是一项要求很高的任务，远远超出仅仅是将岩石敲击在一起。
在我们的研究中，我们允许参与者在没有任何指导的情况下练习四个小时。当他们熟悉这项任务后，他们学会了识别并关注岩芯的特定特征，例如，关注突出的区域，这些区域更容易破碎。这种学习实际上反映在大脑后部视觉皮层的不同活动模式中，练习前后有所不同。但即使对于人类最早的技术来说，四个小时的练习时间也不算长。
在真正有经验的打制者中，他们可以接近真实奥尔德沃工具制造者的记录在案的技能，可以看到一些不同的东西。正如布里尔和她的同事所表明的那样，经验丰富的工具制造者通过他们控制打击期间施加力的大小的能力来区分自己，以便有效地从岩芯上分离薄片。在专家的脑海中，这种技能刺激了顶叶上缘回的活动增加，该区域参与对身体在空间环境中的位置的意识。
大约170万年前，基于薄片的奥尔德沃技术开始被阿舍利技术（以法国的圣阿舍尔命名）所取代，后者涉及制造更精密的工具，例如泪滴形手斧。一些晚期阿舍利手斧——例如来自英国博克斯格罗夫遗址的那些可以追溯到50万年前的手斧——形状非常精细，横截面薄，具有三维对称性和锋利、规则的边缘，所有这些都表明了高水平的打制技能。
现代打制者知道，这种技术不仅需要精确的控制，还需要经过仔细推理的计划。就像高尔夫球手选择合适的球杆一样，打制者在使用各种“硬”（石头）和“软”（鹿角/骨头）锤子时，会进行计划好的剥片序列，这些序列准备岩芯边缘和表面以按所需的模式断裂。他们必须在不同的子任务之间来回切换，同时牢记完成斧头的总体目标，抵制走捷径的诱惑。从痛苦的经验中我知道，你不能欺骗石头断裂的物理原理。当你感到疲倦或沮丧时，最好就此结束一天的工作。
打制晚期阿舍利工具的需求也在脑部扫描仪中产生了一个特征性信号。奥尔德沃和阿舍利打制都涉及一些相同的区域。但我们的阿舍利PET数据也显示，激活延伸到前额叶皮层的一个特定区域，称为右下额回。加州大学圣地亚哥分校的亚当·阿伦等神经科学家数十年的研究表明，该区域与在不同任务之间切换和抑制不适当反应所需的认知控制有关。
此后，我们通过使用MRI验证了我们的PET结果，MRI提供了更高分辨率的成像。为了做到这一点，我们必须想办法让受试者保持静止不动。我与社会神经科学家蒂埃里·查米纳德（现任法国艾克斯-马赛大学蒂莫讷神经科学研究所）合作，要求受试者静静地躺在扫描仪中，观看打制视频，而不是实际尝试制作工具。这种方法是可行的，因为正如查米纳德和其他人所表明的那样，我们使用许多相同的大脑系统来理解观察到的动作，就像我们执行它们一样。尽管方法不同，但我们发现奥尔德沃和阿舍利打制都在大脑的视觉运动区域发现了相同的反应——并且当受试者观看晚期阿舍利工具的制作时，右下额回的活动增加。
我们得出的结论是，学习要求苛刻的身体技能对于人类技术进化的早期奥尔德沃阶段非常重要，但阿舍利方法还需要前额叶皮层提供的更高水平的认知控制。事实上，这一观察结果与化石证据非常吻合，化石证据表明，在过去两百万年中，大脑容量增长最快的时期之一发生在晚期阿舍利文化时期。但这一发现并没有确定哪个事件是原因，哪个事件是结果。工具制造实际上是否推动了Homo artifex的大脑进化，还是仅仅是顺便发生的？为了解决这个问题，我们需要更加认真地研究大脑是如何学习制造工具的。
学习与进化
我花了大约300个小时的练习才达到博克斯格罗夫晚期阿舍利工具制造者的技能水平。如果我曾与老师一起工作或成为工具制造社区的一员，学习过程可能会更快。但我真的不确定。尽管进行了数十年的实验性打制，但几乎没有对学习过程进行系统的研究。2008年，英国埃克塞特大学的考古学教授、长期从事实验性打制的布鲁斯·布拉德利邀请我来弥补我们知识中的这一空白。布拉德利希望培养下一代英国学术打制者，他认为我可能想收集一些神经影像数据，以更好地了解学习过程。他是对的——我确实想。
我特别兴奋地想尝试的一件事是一种相对较新的技术，称为扩散张量成像（DTI），这是一种MRI形式，允许科学家绘制作为大脑“布线”的白质纤维束。2004年，由当时的德国雷根斯堡大学的博格丹·德拉甘斯基领导的一个小组使用DTI来展示志愿者学习杂耍时大脑的结构变化，这挑战了成人大脑结构相对固定的传统观点。
我们怀疑学习打制也需要一定程度的神经重塑。如果是这样，我们想知道哪些回路受到了影响。如果我们的想法是正确的，我们希望能够瞥见工具制造是否真的可以在小范围内引起与人类进化过程中发生的相同类型的个体解剖学变化。
答案结果是响亮的肯定：打制练习增强了连接我们PET和MRI研究中确定的相同额叶和顶叶区域的白质束，包括前额叶皮层的右下额回，该区域对于认知控制至关重要。这些变化的程度可以从每个受试者花费的实际练习小时数来预测——一个人练习得越多，他们的白质变化就越大。
大脑变化——神经科学家称之为“可塑性”——为进化变化提供了原始材料，这种效应被称为表型适应。可塑性使物种能够灵活地尝试新的行为——“突破”他们当前适应的“界限”。如果他们碰巧发现了一个好技巧，它就会进入他们的行为库，进化竞赛就开始了：自然选择将有利于任何增强学习新技巧的容易程度、效率或可靠性的变异。因此，我们的结果提供了重要的证据，证明Homo artifex的观点是可行的——并且工具制造可能实际上通过已知的进化机制推动了大脑的变化。
掌握了这些信息后，我们接下来需要知道的是，我们观察到的解剖学反应是否与人类大脑中的特定进化发展相平行。化石头骨无法提供关于内部大脑结构变化的详细信息，因此我们转向了下一个最好的选择：与我们最亲近的活着的亲戚之一黑猩猩进行直接比较。
幸运的是，我已经争取到了埃默里大学最近的博士埃琳·海克特的帮助，她现在在佐治亚州立大学工作，协助进行DTI分析。海克特比较黑猩猩和人类神经解剖学的论文工作使她获得了我们需要的精确数据和专业知识。去年发表的结果是对这两个物种的白质束进行基于DTI的虚拟解剖，这将识别相关大脑回路中的任何差异。它证实了我们所怀疑的：在我们的PET、MRI和DTI研究中确定的工具制造回路在人类中确实比在黑猩猩中更广泛，尤其是在与右下额回的连接方面。这一发现成为我自1990年代后期作为研究生以来一直在组装的从古代人工制品到行为、认知和大脑进化的推理链中的最后一环。它为旧观点提供了强有力的新支持，即旧石器时代的工具制造有助于塑造现代思维。然而，这远非故事的结局。
透过钥匙孔
我喜欢石器，但它们只为我们提供了了解我们祖先复杂生活的极其狭窄的钥匙孔视角。就像地质学家使用地震仪一样，诀窍是将来自工具制造神经科学的这些知识片段转化为丰富的石器时代生存模型。
尽管来自石器的证据有限，但我们本可能会做得更糟。学习石器制造与学习许多学术技能花费的时间一样多：典型的美国大学课程应该需要大约150个小时的工作（在一个15周的学期内每周10个小时）。在与布拉德利的研究中，受训者平均记录了167个小时的练习，并且到最后仍然在为阿舍利手斧的制作而苦苦挣扎。也许我不应该为我学习花费的300个小时感到太难过。但是坚持如此乏味和令人沮丧的练习方案需要动力和自我控制，这两者都是从进化的角度来看有趣的属性。
动力可以来自外部的老师，也可以来自对未来奖励的内部预期。许多研究人员认为教学是人类文化的决定性特征，而预测未来显然对于从社会关系到技术问题解决的一切都至关重要。
当然，没有自我控制的“棍棒”，激励性的“胡萝卜”只能带你走这么远。自我控制能力——抑制适得其反的冲动——对于许多种认知技能至关重要。事实上，杜克大学的埃文·麦克莱恩领导的最新研究发现，在36种鸟类和哺乳动物中，自我控制和未来规划与更大的大脑容量相关。我们自己的工作现在已经积累了证据，将成功的手斧制作与自我控制和未来规划的大脑系统联系起来——提供了与跨物种大脑容量进化的比较证据的直接联系。
除了展示动力和自我控制之外，工具制造者还必须对正在加工的石头的特性达到深刻的理解，这很难通过自学获得。打制的学习曲线遵循阶梯模式：大多数时候你只需要练习和巩固技能，但偶尔，一点建议会将你带到下一个水平。尽管有时有可能独立发现石器制造的诀窍，但向他人学习确实有优势。
学习的一个好方法就是简单地观看。尽管称某人为好的模仿者可能被视为一种侮辱，但比较心理学家已经认识到忠实的复制是人类文化的支柱。苏格兰圣安德鲁斯大学的安德鲁·惠滕和许多其他人的工作表明，猿类具有一定的模仿能力，但远不及人类儿童和成人的强迫性、高保真复制技能。
仅仅模仿就足够了吗？你可能会通过观看足够多的比赛来弄清楚国际象棋，但如果有人解释策略和战术的细微之处，那会容易得多。我们想知道的是，这是否也适用于石器制造和其他史前技能。加州大学伯克利分校的托马斯·摩根和他的同事最近进行了一项石器制造实验，以检验知识是如何从一个人传递到另一个人的。他们表明，当教学使用语言而不是仅仅演示技能时，学习优势显著。沿着这些思路进行的进一步实验可能有一天会帮助回答人类语言何时以及为何进化的伟大谜团。
教学不是工具制造和语言之间唯一可能的联系。神经科学家认识到，人脑的大多数区域执行与各种不同行为相关的基本计算。例如，以19世纪人类学家保罗·布罗卡的经典左下额回“语言”区域为例。
自1990年代以来，新的研究表明，布罗卡区不仅有助于语言，还有助于音乐、数学和理解复杂的手工动作。这种认识重新激发了长期以来的观点，即工具制造以及人类通过手势进行交流的倾向可能已成为语言的关键进化先兆。例如，南加州大学的迈克尔·A·阿比卜在他的2012年著作《大脑如何获得语言》中充分阐述了这一观点。
我们自己对石器制造的影像学研究结果最近促使我们提出，包括下额回在内的神经回路经历了变化，以适应旧石器时代工具制造的需求，然后被共同选择来支持使用手势以及可能还有发声的原始形式的交流。然后，这种原始语言交流将受到选择，最终产生支持现代人类语言的特定适应性。我们正在进行的实验，除了堆积成山的碎燧石外，还将使我们能够检验这一假设。