Mental Rotation
Shepard & Metzler (1971) führte das Konzept der mentalen Rotation in die Kognitionswissenschaft ein, und zwar mit einem der bekanntesten Experimente auf diesem Gebiet. Diese Berühmtheit mag zum Teil darauf zurückzuführen sein, dass das Experiment mit einer Reihe von einprägsamen grafischen Bildern verbunden ist (z. B. Abbildung 1), von denen einige es auf die Titelseite der Ausgabe von Science geschafft haben, in der es erstmals veröffentlicht wurde. Es handelt sich jedoch auch um ein bemerkenswert elegantes Experiment, das einige auffallend klare Ergebnisse lieferte. Die Ergebnisse schienen die damals unter Psychologen noch weit verbreitete Behaviorismus-Doktrin zu widerlegen, wonach Denkprozesse ausschließlich von der Sprache abhängen. Indem sie nahelegten, dass analoge Repräsentationen eine wichtige Rolle beim Denken spielen, warfen die Ergebnisse auch prima facie Schwierigkeiten (wenn auch nicht unbedingt unüberwindbare) für das (digitale) Computermodell des Geistes auf, das im Mittelpunkt des neu entstehenden Bereichs der Kognitionswissenschaft stand (Block, 1983a).
Abbildung 1
Einige der von Shepard &Metzler (1971) verwendeten Stimulusfigurenpaare.
A- Identische Objekte, die sich durch eine Drehung in der Ebene der Seite unterscheiden
B – Identische Objekte, die sich durch eine Drehung in der Tiefe unterscheiden
C – Spiegelbildliche Objekte (ebenfalls in der Tiefe gedreht)
Shepard & Metzler präsentierte seinen Probanden Paare von Zeichnungen dreidimensionaler, asymmetrischer Würfelanordnungen, wie in Abbildung 1 A, B und C dargestellt. In jedem Paar zeigte das rechte Bild entweder eine identische Anordnung wie das linke, aber um einen bestimmten Betrag von der ursprünglichen Position gedreht, oder es zeigte eine Anordnung, die nicht nur gedreht, sondern auch spiegelbildlich zu der linken war (Abbildung 1 C). Die Versuchsaufgabe bestand darin, so schnell wie möglich (durch Drücken eines Knopfes) festzustellen, ob die beiden abgebildeten Objekte tatsächlich identisch waren (abgesehen von der Drehung) oder ob es sich um Spiegelbilder handelte. Shepards Hypothese war, dass die Aufgabe dadurch gelöst wird, dass man sich ein dreidimensionales mentales Bild von einem der abgebildeten Objekte macht und dieses ganze Bild in der Vorstellung dreht, um zu sehen, ob es mit dem anderen Bild in Übereinstimmung gebracht werden kann. Die Versuchsergebnisse unterstützten diese Idee eindeutig, denn es wurde festgestellt, dass bei jedem Probanden die Zeit, die er benötigte, um zu bestätigen, dass die beiden Objekte eines Paares tatsächlich identisch waren, in direktem Verhältnis zu der Winkeldifferenz zwischen ihnen stand. Es war so, als ob die Versuchspersonen ihr mentales Bild mit einer konstanten Geschwindigkeit drehten (obwohl dies bei jeder Versuchsperson anders sein konnte), so dass sie umso länger brauchten, je weiter sie gehen mussten, um ihr Bild mit dem Referenzbild in Übereinstimmung zu bringen. In der Nachbefragung bestätigten die meisten Versuchspersonen, dass sie die Aufgabe tatsächlich auf diese Weise gelöst hatten. (Interessanterweise machte es keinen Unterschied, ob die Drehung in der Ebene der Seite oder in der Tiefe erfolgte.)
Trotz der Eleganz dieses Experiments und der eindeutigen Ergebnisse (schöne lineare Diagramme der Reaktionszeit gegen den Drehwinkel) blieb Shepards Interpretation als Beweis für irreduzibel analoge und intrinsisch räumliche Prozesse im Denken und für das, was er als „Isomorphie zweiter Ordnung“ zwischen Bild und Objekt bezeichnete (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), sicherlich nicht unangefochten. Einige Forscher stellten Shepards Behauptung in Frage, dass seine Ergebnisse zeigen, dass Bilder als Ganzes gedreht werden und nicht ihre Teile stückweise verglichen werden (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Noch radikaler haben einige bezweifelt, dass die Rotationsaufgabe überhaupt Bilder beinhaltet (Marks, 1999). Schließlich wurden die Versuchspersonen im Gegensatz zu den Experimenten mit Bildmnemotechniken nie ausdrücklich aufgefordert, bei der Durchführung der Vergleichsaufgabe Bilder zu verwenden, und alternative Erklärungen für das Ergebnis (d. h. die lineare Beziehung zwischen Reaktionszeit und Drehwinkel) sind denkbar. Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), der die Augenbewegungen der Versuchspersonen verfolgte, während sie eine Version der Shepard & Metzler-Aufgabe durchführten, argumentierte beispielsweise, dass der lineare Anstieg der Reaktionszeit nicht aus der inneren Drehung eines Bildes resultierte, sondern aus der Notwendigkeit, mehr Augenbewegungen zwischen den beiden Bildern zu machen (um ihre Merkmale zu vergleichen), je stärker sie relativ zueinander gedreht wurden. In der ikonenfeindlichen Kultur, die Anfang der 1970er Jahre in der Psychologie noch vorherrschte, war eine solche „bildlose“ Interpretation der Ergebnisse immer noch eine sehr lebendige Option. Natürlich bedeutete dies, dass alle Behauptungen der Versuchspersonen, mentale Bilder gebildet und gedreht zu haben, außer Acht gelassen werden mussten, aber der Behaviorismus hatte die Psychologen schon lange gelehrt, dieser Art von subjektiven, introspektiven Daten sehr wenig Gewicht beizumessen.
Das Argument für die mentale Rotation beruht jedoch nicht nur auf diesem einen berühmten Experiment. Shepard und seine Schüler (vor allem Lynn Cooper) konnten in der Folge die mentale Rotation und andere verwandte Effekte in einer ganzen Reihe verschiedener Versuchsanordnungen nachweisen (siehe Shepard & Cooper et al., 1982), die zumeist so angelegt waren, dass sie alternative Interpretationen der Ergebnisse verhinderten, die die Notwendigkeit, rotierende Bilder zu postulieren, vermeiden würden. Die meisten dieser anderen Experimente beinhalteten nicht den Vergleich von zwei gleichzeitig sichtbaren Bildern und ließen somit keinen Raum für die Art von Augenbewegungserklärung, die Just & Carpenter vorgeschlagen hatte. Cooper & Shepard (1973) beispielsweise präsentierte seinen Versuchspersonen einen Buchstaben des Alphabets, der aus seiner normalen, aufrechten Ausrichtung gedreht war, und bat sie wiederum, anzugeben, ob der Buchstabe in seiner normalen Form oder in seinem Spiegelbild (rückwärts) zu sehen war (siehe Abbildung 2). Auch hier wurde festgestellt, dass die Reaktionszeit zunahm, je weiter der Stimulusbuchstabe aus der aufrechten Position gedreht war (obwohl die Beziehung aus Gründen, die uns nicht aufhalten müssen, nicht so eindeutig linear war wie im früheren Experiment). Die implizite Erklärung ist, dass die Versuchspersonen ihr Bild des nicht-aufrechten Buchstabens, der ihnen gezeigt wird, in seine kanonische aufrechte Ausrichtung drehen, um es mit ihrer Erinnerung daran zu vergleichen, wie der Buchstabe normalerweise aussehen würde.
Abbildung 2
Gedrehte Buchstabenstimuli der Art, wie sie von Cooper & Shepard (1973) verwendet wurden.
Cooper (z.B., 1975, 1976) führte ebenfalls mehrere Experimente zur mentalen Rotation komplexer unregelmäßiger Polygone durch, wie z.B. die in Abbildung 3, und ein Teil dieser Arbeit hing davon ab, dass die Versuchspersonen explizit aufgefordert wurden, mentale Bilder der Polygone (deren Form sie sich zuvor eingeprägt hatten) zu bilden und zu drehen. Auch hier wurde eine lineare Abhängigkeit der Reaktionszeit vom Winkel festgestellt, was auf eine sanfte, regelmäßige Drehung eines Bildes hindeutet. Ein Vorteil der expliziten Bildanweisungen, die in diesen Experimenten verwendet wurden, besteht darin, dass sie eine deutlichere Verbindung zwischen den gemessenen Ergebnissen und dem Bild als bewusste Erfahrung unter freiwilliger Kontrolle herstellen. Andererseits eröffnet es die sehr reale Möglichkeit, dass die Ergebnisse als Ergebnis einer „experimentellen Anforderung“ erklärt werden könnten (im Wesentlichen versuchen die Versuchspersonen absichtlich, die Ergebnisse zu produzieren, von denen sie glauben, dass die Experimentatoren sie haben wollen, unabhängig von den tatsächlich zugrundeliegenden kognitiven Prozessen – siehe Anhang: Das Problem der Nachfragemerkmale bei Bildgebungsexperimenten). Psychologen wissen, dass dies ein sehr reales Problem in vielen Bereichen der experimentellen psychologischen Forschung ist (Orne, 1962), und es hat sich gezeigt, dass es in der Imaginationsforschung dieser Art besonders problematisch ist (Intons-Peterson, 1983). Betrachtet man jedoch diese Experimente von Cooper zusammen mit den anderen Rotationsexperimenten, bei denen keine expliziten Bildanweisungen verwendet wurden und die wenig Raum für experimentelle Anforderungen zur Beeinflussung der Ergebnisse ließen (z.B. Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (und andere hier nicht diskutierte Experimente: siehe Shepard & Cooper et al, 1982), die ein starkes Argument für die Realität und Robustheit des mentalen Rotationsphänomens liefern.
Abbildung 3
Beispiele für unregelmäßige Polygone, die in den mentalen Rotationsexperimenten von Cooper (1975, 1976) verwendet wurden.
Mentale Rotationsexperimente nach dem ursprünglichen Design von Shepard & Metzler (1971) (oder Varianten davon) sind fast einzigartig unter den Bildexperimenten, da sie weder von verbalen Berichten der Probanden noch von expliziten verbalen Anweisungen zur Verwendung von Bildern bei der Durchführung der experimentellen Aufgabe abhängen. Sie können daher für die Verwendung mit tierischen Probanden angepasst werden, was die Möglichkeit eröffnet, direkte Beweise für das Auftreten von Bildern bei nicht-menschlichen Tieren zu erbringen. Die Ergebnisse dieser Versuche, sowohl mit Vögeln (Tauben) als auch mit verschiedenen Affenarten, waren jedoch, gelinde gesagt, uneinheitlich und größtenteils enttäuschend (Hollard & Delius, 1982; Rilling &Neiworth, 1987, 1991; Georgopoulos et al, 1989; Hopkinset al., 1993; Vauclair et al., 1993; Delius &Hollard, 1995; Köhler et al., 2005; Burmann etal., 2005; Nekovarova et al., 2013). Bemerkenswerterweise stammen die plausibelsten Beweise dafür, dass Tiere die mentale Rotationsstrategie anwenden können und somit wahrscheinlich Bilder erleben, aus Arbeiten mit Seelöwen (Mauck & Dehnhardt, 1997; Stich et al., 2003).
Andererseits scheint der Effekt nicht speziell von visuellen Bildern abzuhängen: er wurde bei kongenital blinden Menschen nachgewiesen (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), von denen man im Allgemeinen annimmt, dass sie keine visuell-mentalen Bilder erleben und daher vermutlich haptische oder kinästhetische Bilder drehen. Die Fähigkeit zur mentalen Rotation wurde auch bei Kleinkindern (Örnkloo & von Hofsten, 2007), bei älteren Menschen (Dror etal., 2005) und bei Menschen mit neurologischen Problemen (Courboiset al., 2004; Hinnell & Virji-Babul, 2004), und es wurden alters-, geschlechts- und sogar sexualitätsbedingte Unterschiede in der Leistung untersucht (z. B. Richardson, 1994; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin et al., 2005; Quaiser-Pohl etal. 2006; Maylor et al., 2007; Joanisse etal., 2008). Darüber hinaus wurde das Konzept der mentalen Rotation auf praktische Fragen angewandt, die von der Verbesserung der Operationstechnik (Conrad et al., 2006) bis zum Verständnis und zur Behandlung von Legasthenie (Russeler et al., 2005).
Die zugrundeliegenden Mechanismen der mentalen Rotation (wie auch der Imagination im Allgemeinen) sind nach wie vor umstritten, wurden aber in jüngster Zeit mit Hilfe verschiedener neurowissenschaftlicher Techniken untersucht, z. B. durch Messungen der Augenbewegung (de’Sperati, 2003), direkte Aufzeichnungen von im Gehirn implantierten Elektroden (Georgopoulos et al., 1989), funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) (z.B. Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem etal., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle etal., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010) und transkranielle Magnetstimulation (Ganis et al., 2000). Einige dieser Forschungen konzentrierten sich auf „motorische Bilder“ (Jeannerod, 1994) und nicht auf visuelle Bilder. In der Tat wurde vorgeschlagen, dass motorische Prozesse und motorische Bereiche des Gehirns ganz allgemein an mentaler Rotation beteiligt sein könnten (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al., 2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007; siehe aber Flusberg & Boroditsky, 2011).