Mental Rotation
Shepard & Metzler (1971) toi mentaalisen rotaation käsitteen kognitiotieteeseen yhdellä alan tunnetuimmista kokeista. Tämä tunnettuus saattaa osittain johtua siitä, että kokeeseen liittyy joukko mieleenpainuvia graafisia kuvia (esim. kuva 1), joista osa pääsi Science-lehden sen numeron kanteen, jossa koe ensimmäisen kerran julkaistiin. Kyseessä on kuitenkin myös huomattavan tyylikäs koe, joka tuotti joitakin hämmästyttävän selkeitä tuloksia. Tulokset näyttivät suoraan kumoavan tuohon aikaan psykologien keskuudessa vielä huomattavan vallalla olleen behavioristisen opin, jonka mukaan ajatteluprosessit riippuvat täysin kielestä. Viittaamalla siihen, että analogisilla representaatioilla on tärkeä rooli ajattelussa, havainnot herättivät myös prima facie vaikeuksia (vaikkakaan eivät välttämättä ylitsepääsemättömiä) mielen (digitaaliselle) tietokonemallille, joka oli vastikään syntyneen kognitiotieteen ytimessä (Block, 1983a).
Kuvio 1
Joitakin Shepardin käyttämiä ärsykkeen kuviopareja & Metzlerin (1971).
A- Identtiset objektit, jotka eroavat toisistaan sivun tasossa tapahtuvalla pyörimisellä
B – Identtiset objektit, jotka eroavat toisistaan syvyydessä tapahtuvalla pyörimisellä
C – Peilikuvioidut objektit (myös syvyydessä pyöritetyt)
Shepard & Metzler esitti koehenkilöilleen piirroskuvapareja kolmiulotteisista, epäsymmetrisistä kuutioasennelmista, kuten kuviossa 1 A, B ja C esitetään. Kussakin parissa oikeanpuoleinen kuva näytti joko vasemmanpuoleisen kuvan kanssa identtisen kokoonpanon, mutta alkuperäisestä asennosta jonkin verran kierrettynä, tai sitten se näytti kokoonpanon, joka ei ollut ainoastaan kierretty, vaan myös vasemmanpuoleisen kuvan peilikuvana (kuva 1 C). Kokeellisena tehtävänä oli kertoa mahdollisimman nopeasti (painamalla painiketta), olivatko kaksi kuvattua kohdetta itse asiassa identtisiä (kiertoa lukuun ottamatta) vai olivatko ne peilikuvia. Shepardin hypoteesi oli, että tehtävä suoritettaisiin muodostamalla kolmiulotteinen mielikuva toisesta kuvatuista esineistä ja pyörittämällä tätä koko kuvaa mielikuvituksessa, jotta nähtäisiin, voitaisiinko se saada vastaamaan toista kuvaa. Koetulokset tukivat selvästi tätä ajatusta, sillä havaittiin, että jokaisella koehenkilöllä aika, joka kului sen vahvistamiseen, että parin molemmat objektit olivat itse asiassa identtisiä, kasvoi suorassa suhteessa niiden väliseen kulmaeroon. Aivan kuin koehenkilöt pyörittäisivät mielikuvaansa tasaisella nopeudella (vaikkakin se saattoi olla erilainen kullakin koehenkilöllä), joten mitä pidemmälle heidän oli mentävä saadakseen mielikuvansa vastaamaan vertailukuvaa, sitä kauemmin se kesti. Kokeen jälkeisessä kyselyssä useimmat koehenkilöt vahvistivat, että he todella uskoivat tehneensä tehtävän näin. (Mielenkiintoista oli, että sillä ei ollut merkitystä, oliko kierto tapahtunut sivun tasossa vai syvyydessä.)
Tämän kokeen tyylikkyydestä ja selkeistä tuloksista huolimatta (hienot lineaariset kuvaajat reaktioajasta ja kiertokulmasta) Shepardin tulkinta siitä todisteena ajattelun redusoimattomasti analogisista ja sisäsyntyisesti spatiaalisista prosesseista ja siitä, mitä hän kutsui ”toisen kertaluvun isomorfisuudeksi” kuvan ja kohteen välille (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), ei varmastikaan jäänyt kyseenalaistamatta. Jotkut tutkijat kyseenalaistivat Shepardin väitteen, jonka mukaan hänen tuloksensa osoittavat, että kuvia kierretään kokonaisuutena sen sijaan, että niiden osia vertailtaisiin paloittain (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Vielä radikaalimmin jotkut ovat epäilleet, liittyykö rotaatiotehtävään oikeastaan lainkaan mielikuvia (Marks, 1999). Loppujen lopuksi, toisin kuin mielikuvitusmemoniakokeissa, koehenkilöitä ei koskaan nimenomaisesti käsketty käyttämään mielikuvia suorittaessaan vertailutehtävää, ja vaihtoehtoiset selitykset tulokselle (eli lineaarinen yhteys reaktioajan ja kiertokulman välillä) ovat ajateltavissa. Esimerkiksi Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), joka seurasi koehenkilöiden silmänliikkeitä heidän suorittaessaan versiota Shepard & Metzlerin tehtävästä, väitti, että reaktioajan lineaarinen lisääntyminen ei johtunut kuvan sisäisestä pyörimisestä vaan tarpeesta tehdä enemmän silmänliikkeitä kahden kuvan välillä (vertaillakseen niiden piirteitä), mitä enemmän niitä pyöritettiin suhteessa toisiinsa. Ikonofobisessa kulttuurissa, joka vallitsi psykologiassa vielä 1970-luvun alussa, tällainen ”kuvaton” tulkinta tuloksista oli vielä hyvin elävä vaihtoehto. Se tarkoitti tietenkin sitä, että koehenkilöiden väitteet mielikuvien muodostamisesta ja pyörittämisestä oli hylättävä, mutta behaviorismi oli jo kauan sitten opettanut psykologit antamaan hyvin vähän painoarvoa tällaiselle subjektiiviselle, introspektiiviselle tiedolle.
Henkisen rotaation puolesta puhuminen ei kuitenkaan perustu pelkästään tähän yhteen kuuluisaan kokeeseen. Shepard ja hänen oppilaansa (erityisesti Lynn Cooper) pystyivät sittemmin osoittamaan mentaalisen rotaation ja muita siihen liittyviä vaikutuksia varsin monilla erilaisilla koejärjestelyillä (ks. Shepard & Cooper et al., 1982), jotka oli enimmäkseen suunniteltu estämään tulosten vaihtoehtoiset tulkinnat, joilla vältettäisiin tarve postuloida pyöriviä mielikuvia. Useimmissa näistä muista kokeista ei verrattu kahta samanaikaisesti näkyvää kuvaa, joten ne eivät jättäneet tilaa Just & Carpenterin ehdottamalle silmänliikkeiden selitykselle. Esimerkiksi Cooper & Shepard (1973) esitti koehenkilöilleen aakkosten kirjaimen, joka oli käännetty pois normaalista, pystysuorasta orientaatiostaan, ja pyysi heitä jälleen kerran ilmoittamaan, oliko kirjain normaalissa muodossaan vai peilikuvassaan (takaperin) (ks. kuvio 2.) Jälleen kerran havaittiin, että vasteaika piteni sitä mukaa, mitä kauemmas ärsykekirjain oli käännetty pystysuorasta orientaatiostaan (vaikkakin syistä, joiden vuoksi meidän ei tarvitse viivytellä täällä, suhde ei ollut niin siististi lineaarinen kuin aiemmassa kokeessa). Epäsuora selitys on, että koehenkilöt pyörittävät kuvansa näyttämästään ei-pystysuorasta kirjaimesta sen kanoniseen pystysuoraan orientaatioon, jotta he voivat verrata sitä muistiinsa siitä, miltä kirjain normaalisti näyttäisi.
Kuvio 2
Kierretyt kirjainärsykkeet, jollaisia Cooper & Shepard käytti & Shepardin (1973) käyttämiä ärsykkeitä.
Cooperin (esim, 1975, 1976) teki myös useita kokeita monimutkaisten epäsäännöllisten monikulmioiden, kuten kuvan 3 monikulmioiden, mentaalisesta pyörittämisestä, ja osa tästä työstä riippui siitä, että koehenkilöitä kehotettiin eksplisiittisesti muodostamaan ja pyörittämään mentaalisia mielikuvia monikulmioista (joiden muodon he olivat aiemmin painaneet mieleensä). Jälleen kerran havaittiin reaktioajan lineaarinen riippuvuus kulmasta, mikä viittaa kuvan tasaiseen, säännölliseen pyörittämiseen. Näissä kokeissa käytettyjen eksplisiittisten mielikuvitusohjeiden etuna on se, että ne luovat selkeämmän yhteyden mitattujen tulosten ja mielikuvituksen välille vapaaehtoisesti ohjattavana tietoisuuskokemuksena. Toisaalta se avaa hyvin todellisen mahdollisuuden, että tulokset voidaan selittää pois ”kokeellisen vaatimuksen” tuloksena (eli koehenkilöt pyrkivät tarkoituksellisesti tuottamaan tuloksia, joita he uskovat kokeen tekijöiden haluavan, riippumatta todellisista taustalla olevista kognitiivisista prosesseista – ks. lisäys: The Problem of Demand Characteristics in Imagery Experiments). Psykologit tietävät hyvin, että tämä on hyvin todellinen ongelma monilla kokeellisen psykologisen tutkimuksen aloilla (Orne, 1962), ja sen on osoitettu olevan erityisen ongelmallinen tämäntyyppisissä mielikuvatutkimuksissa (Intons-Peterson, 1983). Kuitenkin, kun nämä Cooperin kokeet otetaan yhdessä muiden rotaatiokokeiden kanssa, joissa ei käytetty eksplisiittisiä mielikuvitusohjeita ja jotka antoivat vain vähän jalansijaa kokeelliselle vaatimukselle vaikuttaa tuloksiin (esim. Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (ja muut kokeet, joita ei käsitellä tässä: ks. Shepard & Cooper ym, 1982) ne puhuvat vahvasti mentaalisen rotaatioilmiön todellisuuden ja kestävyyden puolesta.
Kuva 3
Esimerkkejä epäsäännöllisistä polygoneista, joita Cooper käytti mentaaliseen rotaatioon liittyvissä kokeissa (1975, 1976).
Mental rotation experiments of the original Shepard & Metzler(1971) design (or variants of it), are almost unique among imageryexperiments in the approach of the imageryexperiments that they depend neither on verbal reports from the subjects, nor on explicit verbal instructions to use imagery inperforming the experimental task. Näin ollen ne voidaan mukauttaa käytettäviksi eläinkokeissa, jolloin on mahdollista saada suoraa näyttöä mielikuvien esiintymisestä muissa kuin ihmiseläimissä. Tulokset, joita on kuitenkin saatu sekä linnuilla (kyyhkysillä) että erilaisilla apinalajeilla, ovat olleet lievästi sanottuna vaihtelevia ja enimmäkseen pettymyksiä (Hollard & Delius, 1982; Rilling &Neiworth, 1987, 1991; Georgopoulos ym., 1991), 1989; Hopkinset al., 1993; Vauclair et al., 1993; Delius &Hollard, 1995; Köhler et al., 2005; Burmann etal., 2005; Nekovarova et al., 2013). Huomionarvoista on, että kaikkein uskottavimmat todisteet siitä, että mitkä tahansa eläimet voivat käyttää mentaalista rotaatiostrategiaa ja siten todennäköisesti kokea mielikuvia, tulevat merileijonien kanssa tehdystä työstä (Mauck & Dehnhardt, 1997; Stich et al.,2003).
Toisaalta vaikutus ei näytä riippuvan erityisesti visuaalisesta kuvastosta: se on osoitettu synnynnäisesti sokeilla ihmisillä (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), joiden ei yleensä uskota kokevan visuaalismentaalista kuvastoa ja jotka näin ollen oletettavasti pyörittävät haptisia tai kinesteettisiä kuvia. Mentaalisia rotaatiokykyjä on tutkittu myös pikkulapsilla (Örnkloo & von Hofsten, 2007), vanhuksilla (Dror etal., 2005) ja ihmisillä, joilla on neurologisia ongelmia (Courboiset al., 2004; Hinnell & Virji-Babul, 2004), ja sen suorituskyvyssä on tutkittu ikään, sukupuoleen ja jopa seksuaaliseen suuntautumiseen liittyviä eroja (esim. Richardson, 1994;; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin ym., 2005; Quaiser-Pohl ym.,. 2006; Maylor ym., 2007; Joanisse ym., 2008). Lisäksi mentaalisen rotaation käsitettä on sovellettu käytännön kysymyksiin aina kirurgisen tekniikan parantamisesta (Conrad et al., 2006) lukihäiriön ymmärtämiseen ja hoitoon (Russeler et al.,
Henkisen rotaation (kuten mielikuvituksen yleensä) taustalla olevista mekanismeista käydään edelleen kiistaa, mutta niitä on viime aikoina tutkittu useilla neurotieteellisillä tekniikoilla, kuten silmänliikkeen mittauksilla (de’Sperati, 2003), suoralla tallentamisella aivoihin istutetuista elektrodeista (Georgopoulos ym., 1989).), toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) (esim. Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem et al., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle et al., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010) ja transkraniaalinen magneettistimulaatio (Ganis et al., 2000). Osa tästä tutkimuksesta on keskittynyt pikemminkin ”motoriseen mielikuvitukseen” (Jeannerod,1994) kuin visuaaliseen mielikuvitukseen. Itse asiassa on ehdotettu, että motoriset prosessit ja motoriset aivoalueet voivat olla mukana mentaalisessa rotaatiossa aivan yleisesti (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al.,2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007;ks. kuitenkin Flusberg & Boroditsky, 2011).