互动科普

虽然制造粗糙，但我始终珍藏着自己制造的第一块石手斧。当时在英国南部西萨克斯郡的农田里，我无意中捡到了一块被冻断的燧石，把它做成了石斧。假如人类的远祖海德堡人见到它，恐怕也会不屑一顾。距今50万年前，现代智人的近亲在西萨克斯郡附近的博克斯格罗夫考古点留下了比这精美得多的手斧。我为自己还在努力钻研这种简单的切割方法感到自豪。对我来说，真正重要的不是为自己增添了一项爱好，而是通过这项研究，了解人类演化，认识语言和文化如何涌现等关键问题。

在此之前，就有科学家通过模拟古人类的生存技能了解人类的起源，这种方法已经被考古学家使用了数十年。最近15年，我们又将它应用到了一个令人激动的新方向上。

考古学家与神经科学家跨界合作，把大脑成像技术用到了研究中，他们想观测现代人的大脑，看看耐心打磨手斧的人的大脑中，会出现什么不一样的景象。深入到大脑内部后，科学家也希望看看哪些被激活的脑区激发了旧石器时代的人类，让他们可以从大片的碎石堆中，找出合适的材料，打造出精美的手斧。

随着合作的推进，曾被广泛质疑的观点（“制造工具是人类演化的关键驱动力”）也焕发了生机。早在70年前，英国考古学家肯尼斯·奥克利（Kenneth Oakley）在《人即工匠》（Man the Tool-maker）一书中提出，制造工具是人的“首要生物性状”，因为它使“心理认知与躯体运动协调运作”的演化路径成为可能。

上述观点一度跌出了人们的视野，因为行为科学家发现，人类以外的物种（黑猩猩、乌鸦、海豚、章鱼等）也有使用甚至制造工具的行为。1963年，在回复珍妮·古道尔（Jane Goodall）那篇具有历史意义的报告（也是首篇关于黑猩猩使用工具行为的报告）时，古人类学家路易斯·李基（Louis Leakey，当时也是古道尔的导师和资助人）留下了这段著名的评论：“现在，我们必须重新定义工具和人类，否则就要接受黑猩猩也是人类的现实。”随后，在许多研究者的观点中，具有“复杂的社会关系”代替了“制造工具的能力”，成为驱动灵长类动物大脑演化的核心因素。在上世纪80和90年代，“政治智力”（Machiavellian intelligence）和“社会化大脑”的假说影响很广，研究者认为，灵长类动物的认知活动所面临的最大挑战并不是如何从容应对自然环境，而是如何在所处的群落中“左右逢源”。从自然界的观测结果中，上述假说得到了支持：社群规模越大的灵长类动物越倾向于出现脑量更大的个体。

近期的研究（也包括我们的研究）表明，虽然奥克利的部分主张的确已经过时了，但“人即工匠”的观点还没有衰亡。对于物种演化而言，至关重要的因素未必是独一无二的，工具制造对人类而言正是如此。重要的是，人类制造了什么样的工具，以及怎么学会制造它们。在所有灵长类动物中，人类向他人学习的能力非常出众，特别擅长模仿他人的行为。行为模仿是学习复杂技能的必要条件，同时也被认为是人类文明能够积累知识的重要条件，这种出色的能力最终将人类与其他类人猿区分开了。

或许，研究旧石器时代的工具制造技能可以为我们了解大脑的演化提供重要信息，这个观点不应被过早抛弃。随着工具制造技能日渐复杂，传授与学习这些技能很可能是早期人类必须面对的挑战；同时，这种挑战也驱使着语言演化。事实上，现在有许多神经科学家相信，语言与操作技能的实现都依赖大脑中部分相同的脑区和结构。

为了验证上述观点，我们不得不仔细分析古代石器的制造技能，对比相关脑区演化过程的研究成果。然而，我们的研究进程很快就陷入了困境，因为大脑结构和行为都没有留下化石记录。在这种情况下，唯一的手段就是在实验室中模拟石器制造，模拟这项千万年来世代相传的生存技能。正是由于这个原因，我和我的学生、同事花费了数年时间动手实践，尝试模仿旧石器时代人类制造石器的过程。

重新打磨石器

“研究人类最古老的技能”、“应用现代技术给大脑成像”，这两件事看起来似乎风马牛不相及。刚开始时，我们将一车车的石头推进大脑成像实验室，这个场景的确令人啼笑皆非。然而，对于考古学研究来说，倒也不足为奇。在很长一段时间里，大家都相信，研究当下是了解过去最重要的手段之一。例如，研究者设计实验模拟古代冶炼技术（冶金考古学）；观测动物尸体持续腐烂的过程（化石埋藏学），理解化石形成的机制。早在19世纪，在非正式的实验中已经出现了模拟石器制造的过程，当时考古学家称之为“敲石头”。如今，这项实验的设计已经有了更严格的控制条件。

近年来，类似实验的范围正在逐渐扩大。就职于印第安纳大学和石器时代研究所的尼古拉斯·托特（Nicholas Toth）和凯西·希克（Kathy Schick）都是我的导师，在上世纪90年代，他们就曾提议采用当时新兴的大脑成像技术，探究人类在制造石器时的大脑活动。作为他们的学生，我继承了这条研究思路，在过去15年间，我把精力放在了研究和描绘“敲石头”时的大脑活动上。

现在，我的实验室就像石器制造培训班一样。由于工作区就在我的办公室外，写这篇文章时，我都能听到初学者们把损坏的燧石丢到残片堆上的声响。过去一年，这里已经堆积了3米宽，10厘米高，重达1 400千克的残片。窗外，博士后研究员纳达·克雷谢赫（Nada Khreisheh）正弯下身子，指导一名看上去十分沮丧的学员制作石器。

这里有20位制造古代手斧的学员，克雷谢赫每周大约花20小时培训他们，总共需要培训100小时。这是试验中迄今为止最耗费精力的部分。每个阶段的培训都需要全程录像，方便我们从中分析最佳的学习技巧。我们会收集每件成品，持续跟踪学员的学习进度。在这个过程中，学员必须反复接受磁共振（MRI）扫描和心理测试——MRI扫描是为了检查大脑的结构和相关功能的变化，心理测试则是为了检测工具制造水平是否与某些能力（如任务规划、短时记忆）有关。这些操作非常耗费精力，但也至关重要，因为能揭示工具制造的技能到底对我们的祖先发挥了什么样的作用。

至少，我们已经从这项工作中了解到，制造石器工具并不简单。接下来，我们会深入研究，制造石器工具为什么会这么困难。不仅是奥克利本人，支持“人即工具制造者”的科学家都认为，工具制造技能的关键是“人类特有”的抽象思维能力，人类能思考不同的工具特性，在大脑中想象出最终模型，然后动手制作。对此我不敢苟同。任何一位经验丰富的手艺人都会告诉你，难点不在于知道你想要做什么，而在于实际的制作过程。

初学者必须掌握敲击技巧，他们需要手持锤子（可能是石锤、骨锤或鹿角锤），不断从石头上敲下薄片，把石器打磨成形。敲击的动作对力量的要求很高，精度也达到了几毫米。由于敲击的动作过于迅速，通常来不及校正，就像在大理石上做雕刻，凿下来的碎片是不可能还原的。这意味着即使很小的失误也会毁掉整个作品。

动作研究专家布兰丁·布莱尔（Blandine Bril）就职于法国巴黎社会科学高级研究院，他和同事借助动作追踪系统发现，不同于初学者，经验丰富的工匠可以调整敲击力度实现不同的效果。要想经过一连串敲击，把手中的原材料打磨成头脑中的“抽象目标”，还是需要长期刻苦的训练才行。

在学习制造石器工具时，我们的祖先也面对过同样的挑战。很可能，正是因为成功应对了挑战，他们才存活下来。或许，制造工具的技能需求，以及传授这些技能所需的复杂社会互动，共同构成了人类认知能力演化的关键驱动力。我们已经为当代版的奥克利假说取了一个新的名称，叫“工匠人（Homo artifex）假说”，“工匠”（artifex）一词在拉丁语中代表技能、创造力以及精雕细琢的工匠精神。

被改变的大脑

在研究古人类技能的过程中，培训学员不是唯一的技术难题。标准的大脑成像技术并不适用于这样研究，也是摆在我们面前的拦路虎。接受过MRI扫描的人大概都记得，在操作过程中，工作人员会特意强调不可以移动，否则会毁掉图像。不幸的是，一动不动地躺在半米宽的机器里无法敲石头，里面沉闷的环境也让人昏昏欲睡。

在早期的实验中，我们利用FDG-PET技术来绕开这个问题。做PET扫描之前，需要从足下静脉，给受试者注射放射性物质，这会让受试者感到疼痛。在他们把石块打磨成手斧的过程中，用于后续追踪的放射性物质会随着代谢活动转移到大脑各处。任务完成后，我们可以扫描这些放射性物质在大脑中的聚集情况。

利用这项技术，我研究了两个时期——奥杜韦（Oldowan）和阿舍利晚期（Late Acheulean）的石器制造技术。这两个时期覆盖了旧石器时代早期的起始和结束两个阶段，从260万年前到25万年前的旧石器时代早期是人类演化的关键时期，在此期间古人类头部的体积扩大了3倍。通过实验，我希望了解石器制造技术的发展是否给大脑的认知能力提出了新的要求，在经过了百万年的自然选择后，导致了大脑体积扩容。

奥杜韦时期（得名于坦桑尼亚奥杜韦峡谷，20世纪中期由考古学家路易斯·李基和玛丽·李基夫妇共同提出）的古人类能从鹅卵石上敲下尖利的薄片，当做人类“刀具”的雏形。从基本概念出发，工具制造已不是简单地把石块撞几下就完事，PET扫描的结果也印证了，实际的打磨过程远比这种简单的操作耗费脑力。

在试验中，我们要求受试者进行4小时的无指导训练。随着对任务逐渐熟悉，他们开始关注和认识石块的特性，例如凸起的部分或易于敲击的部分。这种学习的过程也会在视觉皮层的不同活跃模式中反映出来。即使对人类早期习得的简单技能来说，4小时的训练也不算太久，但从试验看来，这么短暂的训练，就已经使皮层的活动表现出不同了。

在经验特别丰富，几乎能真实模仿奥杜韦时期石器制造技能的受试者中，还出现了新的情况。布莱尔和同事的研究发现，经验丰富的人在敲打过程中，对力度的控制有别于常人。在这些“石器专家”的脑部，顶叶缘上回的活跃程度有所增强，而这一脑区与大脑感知躯体在空间环境中的位置有关。

大约在170万年前，用来制造薄片的“奥杜韦技术”逐渐被“阿舍利技术”（得名于法国圣阿舍利）取代，后者能制造出泪滴型的手斧，总体来说更为复杂。阿舍利晚期手斧的造型更趋完善。开篇时曾提到的出土于博克斯格罗夫的手斧，距今已50万年，手斧截面纤薄、对称，具有整齐锋利的斧刃，这都表明当时的制造技术日臻成熟。

阿舍利时期的制造技术不仅需要精细把控力度，还需要对任务流程有合理安排。就像高尔夫球手会选择最合适的球杆击球，石器专家也能够配合使用石质的“硬”锤和骨质的“软”锤，把石料的边缘和表面打磨成期望的形状。制作时，他们必须在多个分支任务间切换，同时集中精力完成最终目标。他们必须防止分心，防止试图走捷径，因为这都不能在保证质量的前提下制作出石器。以我亲身的经验来看，石器制造得接受检验，容不得蒙混过关。当制作者感到疲惫或沮丧的时候，最好先停下手头的工作休息一下。

运用阿舍利晚期技术后，大脑扫描的结果呈现出显著变化。虽然，奥杜韦和阿舍利两个时期的技术都影响了相同的一些脑区，但从大脑扫描的结果来看，阿舍利技术的影响已扩展至右脑前额叶皮层的一块特殊区域（右侧额下回）。对这个脑区，科学家已经研究了数十年，例如，加利福尼亚大学圣地亚哥分校亚当·艾隆（Adam Aron）的成果表明，该区域与多任务转换以及抑制不当行为的认知功能有关。

我们也一直在尝试利用分辨率更高的MRI成像来验证PET扫描得到的结果。为了达到这个目的，我们必须想办法让受试者在实验过程中尽量保持不动。我们与法国艾克斯-马赛大学蒂莫内神经科学研究所的社会神经科学家蒂埃里·夏米纳德（Thierry Chaminade）合作，试图让受试者躺在MRI设备中，观看打磨石器的视频，以此代替亲自动手制造石器。这套方法之所以可行，是因为夏米纳德和一些研究者发现，人们在理解观察到的动作时，与实际完成这些动作时所涉及的脑区大体相同。尽管大脑成像的方法不同，我们仍发现了在前一种成像结果中出现的模式：受试者在观察奥杜韦、阿舍利这两个时期的石器制造视频时，都激活了大脑的视觉-运动区域；观察阿舍利时期的制造视频时，受试者右侧额下回的活跃程度也有所增强。

我们推测，在较早的奥杜韦时期，学习制造技术的能力对人类演化至关重要；随后，在阿舍利时期，学习这种技术对认知控制能力的要求进一步增强。事实上，这一观测结果与既有的化石证据完全吻合，在过去200万年间，古人类脑体积的数次快速增长都发生在阿舍利晚期。然而，这些发现还没有呈现出清晰的因果关系：到底是像“工匠人假说”预期的那样，工具制造驱使了大脑的演化，还是演化过程伴随着工具制造技术的提升？

为了解决这个问题，我们需要更严谨地研究大脑学习制造工具的机制。

从学习到演化

为了制造出博克斯格罗夫考古点所发现的那类阿舍利晚期工具，我练习了将近300小时。或许，如果有人指导，或者加入互助社区的话，我会学得更快。然而，对于这一点我并不确定，因为过去数十年，科学家几乎从未系统地对此展开研究。2008年，埃克塞特大学的考古学教授布鲁斯·布拉德利（Bruce Bradley）邀请我共同填补这一领域的空白，他也是一位资深的“实验室石匠”。布拉德利计划培养英国的下一代专业石匠，他认为借此可以收集一系列神经影像数据，我也会对学习的过程有更深刻的理解。事实证明，他的计划是对的，我的确做到了。

在大脑成像领域，新兴的扩散张量成像（DTI）技术让我跃跃欲试，它可以帮助研究者勾勒出被誉为大脑“电路”的白质纤维束的走向。2004年，德国雷根斯堡大学的博格丹·德拉甘斯基（Bogdan Draganski）带领的团队用DTI技术做了一项研究，他们发现在学习杂技的过程中，受试者的大脑结构发生了变化，这一发现挑战了大脑结构在成年期保持稳定的传统观点。

我们猜测，学习石器制造也需要神经元在一定程度上重新连接。如果这是真的，受到影响的神经回路就是我们需要重点关注的。在这个指导思路下，我们希望了解，学习制造工具是否会导致生命体的结构发生改变——即使这种改变的幅度非常小，这种改变又是否与人类的演化趋势一致。

正所谓“念念不忘，必有回响”，我们最终得到了肯定的答案：石器训练增强了白质纤维束在额叶和顶叶皮层特定区域的连接，而这与先前在PET和MRI研究中观察的结果吻合（其中包括与认知控制功能密切相关的右侧额下回）。根据每位受试者的练习时长，甚至可推测出连接增强的程度——花费的时间越长，白质纤维束的改变越大。

神经学上称大脑结构的改变为“可塑性”，这种变化通常只是表型层面的，而不是基因型层面的，它能为物种演化提供基础。神经可塑性赋予了物种行为的可塑性，动物可以通过不断尝试新的行为提高适应能力。一些偶然出现的行为可能有益于适应环境，这种行为模式会保存下来，带入新的演化竞赛，因为自然选择更倾向于选出使生物更容易、更高效、更可靠地学会新技能的改变。因此，我们的研究结果也为“工匠人假说 ”提供了重要证据，制造工具的确能够通过已知的演化机制推进大脑发生改变。

接下来，我们要弄清楚生命体结构的改变和大脑功能的演化是否同步发生。由于化石无法展示脑内结构的变化，我们只有选择替代性方法，直接用人类近亲黑猩猩进行对比研究。

很幸运，我找到了帮手。艾琳·赫克特（Erin Hecht）博士不久前毕业于埃默里大学，目前在佐治亚州立大学任教。赫克特的毕业论文涉及比较黑猩猩与人类的神经解剖特性，因此，她有我们需要的精确数据和专业能力。去年，我们发表了两个物种神经回路差异的研究。结果验证了我们的猜想：先前在PET、MRI和DTI研究中发现的那些神经回路（都与制造工具相关），在人脑中确实比在黑猩猩脑中分布更广，尤其是联接右侧额下回的部分分布更广。20世纪90年代末期，从研究生时代开始，我就已经开始构思这条逻辑链了。现在，从远古人类的工具制造到行为、认知和大脑演化的整个链条，都在这项发现的基础上打通了。古人类的工具制造技能塑造了现代人认知特性的传统观点又获得了强有力的支持。

然而，故事还远未结束。

重现生机

我热爱石器，但是用这些方法研究我们祖先的复杂生活，还是只能管中窥豹。就像手握地震测量仪的地质学家一样，我们需要见微知著的能力，才能进一步利用神经科学揭示的奥秘，扩展对石器时代古人类生活模式的认识和理解。

尽管与石器制造相关的研究成果还很有限，但也积累了一些。学习石器制造所需的时间不输于许多专业技能。美国的大学生大约需要花费150小时训练（每周10小时，共15周）。在我与布拉德利的合作研究中，新学员平均每人完成了167小时的练习，但是，学员最后仍然只能勉强打磨出阿舍利时期手斧的模样。或许，我不应该为在这上面花费300小时感觉糟糕，因为，在这么枯燥乏味，有时还会让人沮丧的训练中保持专注，需要足够的动机和自我控制能力，而这两者都是演化进程值得关注的特质，这才是关键所在。

这样的动机可能来自外部指导者，也可能来自内心对未来回报的预期。许多研究者认为，传道授业是一种可以定义人类文化的特质，然而预期未来的能力无论对于维护社会关系还是解决技术问题，都至关重要。

当然，仅有动机这个“胡萝卜”的引导，缺少自我控制这个“大棒”的推动也不会让人走多远。自我控制，换句话说就是抑制不合时宜的冲动，这种能力与多种认知技能都有关系。事实上，在杜克大学任教的埃文·麦克莱恩（Evan Mclean）最近主导的一项研究中，对比了36种鸟类或哺乳类动物，他发现大脑体积的大小与自我控制和未来规划能力呈正相关。现在，我们的研究已积累了很多证据，表明自我控制和未来规划所涉及的脑区和制造手斧时被激活的关键脑区一致。我们的研究成果与跨物种比较的研究成果不谋而合。

除了具备动机和自我控制能力，对石器制造有深入理解的工匠都必须认识到，这项技能很难通过自学达成。石器制造的学习曲线呈阶梯式增长：大部分时间做巩固训练就足够了，但每经过一段时间训练，都需要指导才能提高到一个新的层次。虽然确实有人独自找到诀窍，但是，多向别人请教总是更好的。

观察和模仿都不失为很好的选择。尽管说某人善于模仿有贬低之意，但是，一些比较心理学研究者逐渐意识到，人类文化的传承与发展确实依赖于忠实的模仿。以英国圣安德鲁大学的安德鲁·怀特恩（Andrew Whiten）为代表的很多研究者都发现，幼儿和成人都具有明显的、相似度非常高的模仿能力。相比之下，其他灵长类动物的模仿能力只能望尘莫及。

仅凭观察模仿就够了吗？看过足够多的对弈，一个人或许能掌握下棋的技巧，如果旁边有人详细讲解战术，肯定会让学习的过程更容易。我们关注的是，石器制造或其他古老技能的学习过程是否也遵循同样的道理。最近，加利福尼亚大学伯克利分校的托马斯·摩根（Thomas Morgan）和同事开展了一项实验研究，试图弄清人与人之间是如何传递知识的。他们的研究表明，比起仅靠动作示范，言传身教会更显著地提升学习效果。不难发现，其中语言起到了重要作用。我们期待后续的研究在不久的将来能解答，为什么人类最终会演化出语言，这项技能又是在什么时间演化出来的。

能使语言和工具制造产生关联的，并不只有传授技能这一种方式。神经科学家认识到，不同脑区为各种不同的行为提供了发号指令的基础。19世纪，人类学家保罗·布洛卡（Paul Broca）曾提出，位于左侧额下回的脑区就是“言语”区的理论，如今这个理论早已被奉为经典。

20世纪90年代以来，新的研究发现，除言语功能以外，布洛卡区也与音乐、数学和复杂手势的理解有关。这项发现让由来已久的一种观点重新焕发了生机：人类用躯体交流的习惯以及动手制造工具的技能，都可能是促成语言产生的重要前提。2012年，南加利福尼亚大学的迈克·A·阿尔比布（Michael A. Arbib）教授发表的著作《大脑如何学会说话》（How the Brain Got Language》中，也对此进行了全面的阐述。

我们对石器制造的过程开展了影像学研究，这让我们发现，为了更好地制造出精致的石器，古人类相关的神经回路发生了适应性改变，包括额下回在内的部分脑区也在制造石器的过程中被激活利用起来，这让人类实现了最早的肢体（或许还有语音）交流。在自然选择的作用下，这种泛语言交流最终形成了特定的适应性，使现代人类语言的产生成为可能。

我们的实验还在继续，实验除了制造成堆地石片外，也会让之前提出的假设得到检验。