Mental Rotation
Shepard & Metzler (1971) vezette be a mentális forgás fogalmát a kognitív tudományba a terület egyik legismertebb kísérletével. Ez a hírnév részben talán annak köszönhető, hogy a kísérlethez emlékezetes grafikai képek sorozata társul (pl. 1. ábra), amelyek közül néhány a Science azon számának címlapjára került, ahol először publikálták. Ugyanakkor ez egy figyelemre méltóan elegáns kísérlet is, amely néhány meglepően egyértelmű eredményt hozott. Az eredmények közvetlenül cáfolni látszottak az akkoriban a pszichológusok körében még mindig nagy befolyással bíró behaviorista tanítást, miszerint a gondolkodási folyamatok teljes mértékben a nyelvtől függenek. Azzal, hogy azt sugallták, hogy az analóg reprezentációk fontos szerepet játszanak a gondolkodásban, az eredmények prima facie nehézségeket (bár nem feltétlenül leküzdhetetleneket) vetettek fel az elme (digitális) számítógépes modellje számára, amely az újonnan kialakuló kognitív tudományok középpontjában állt (Block, 1983a).
1. ábra
A Shepard & Metzler (1971) által használt ingerfigurapárok közül néhány.
A- Azonos tárgyak, amelyek a lap síkjában való elforgatással különböznek
B – Azonos tárgyak, amelyek mélységben való elforgatással különböznek
C – Tükörképes tárgyak (szintén mélységben elforgatva)
Shepard & Metzler az 1. A, B és C ábrán látható módon háromdimenziós, aszimmetrikus kockaösszeállítások rajzpárjait mutatta be kísérleti személyeinek. Minden párban a jobb oldali kép vagy a bal oldali képpel azonos, de az eredeti helyzethez képest bizonyos mértékben elforgatott összeállítást mutatott, vagy pedig egy olyan összeállítást, amely nemcsak elforgatott, hanem a bal oldali kép tükörképe is volt (1. ábra C). A kísérleti feladat az volt, hogy a lehető leggyorsabban (egy gomb megnyomásával) meg kell mondani, hogy a két ábrázolt tárgy valójában azonos-e (az elforgatástól eltekintve), vagy tükörkép. Shepard hipotézise az volt, hogy a feladatot úgy kell megoldani, hogy az egyik ábrázolt tárgyról háromdimenziós mentális képet alkotunk, és ezt az egész képet képzeletben elforgatjuk, hogy lássuk, megfeleltethető-e a másik képpel. A kísérleti eredmények egyértelműen alátámasztották ezt az elképzelést, mivel azt találták, hogy minden egyes kísérleti személy esetében az annak megerősítéséhez szükséges idő, hogy egy pár mindkét tárgya valóban azonos, egyenes arányban nőtt a köztük lévő szögeltéréssel. Mintha az alanyok mentális képüket állandó sebességgel forgatnák (bár ez az egyes alanyoknál eltérő lehet), így minél tovább kellett haladniuk, hogy képüket összhangba hozzák a referenciaképpel, annál hosszabb időbe telt. A kísérlet utáni kikérdezéskor a legtöbb alany megerősítette, hogy valóban így vélte elvégezni a feladatot. (Érdekes módon nem volt különbség, hogy a forgatás az oldal síkjában vagy a mélységben történt-e.)
A kísérlet eleganciája és az egyértelmű eredmények ellenére (a reakcióidő szép lineáris ábrái a forgatási szög függvényében), Shepard értelmezése, miszerint ez bizonyíték a gondolkodás redukálhatatlanul analóg és belső térbeli folyamataira, valamint arra, amit ő “másodrendű izomorfizmusnak” nevezett a kép és a tárgy között (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), természetesen nem maradt megkérdőjelezhetetlen. Néhány kutató megkérdőjelezte Shepard állítását, miszerint eredményei azt mutatják, hogy a képeket egészként forgatják, nem pedig részeit darabonként hasonlítják össze (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Még radikálisabban, egyesek kétségbe vonták, hogy a forgatási feladat egyáltalán magában foglalja-e a képalkotást (Marks, 1999). Végül is, ellentétben a képi mnemonikával végzett kísérletekkel, a kísérleti személyeknek soha nem mondták kifejezetten, hogy az összehasonlítási feladat végrehajtása során használjanak képeket, és az eredmény alternatív magyarázatai (azaz a reakcióidő és a forgatási szög közötti lineáris kapcsolat) elképzelhetőek. Például Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), aki követte a kísérleti személyek szemmozgását, miközben a Shepard & Metzler-féle feladat egy változatát végezték, azt állította, hogy a reakcióidő lineáris növekedése nem a kép belső elforgatásából adódik, hanem abból, hogy minél több szemmozgást kell végezni a két kép között (a tulajdonságaik összehasonlítása érdekében), minél jobban el vannak forgatva egymáshoz képest. Az 1970-es évek elején a pszichológiában még mindig uralkodó ikonofób kultúrában az eredmények ilyen “kép nélküli” értelmezése még mindig nagyon is élő lehetőség volt. Természetesen ez azt jelentette, hogy az alanyok minden olyan állítását, miszerint mentális képeket alakítottak ki és forgattak el, el kellett vetni, de a behaviorizmus már régóta megtanította a pszichológusokat arra, hogy az ilyen szubjektív, introspektív adatoknak nagyon kevés súlyt adjanak.
A mentális forgás mellett szóló érvek azonban nem csak ezen az egyetlen ünnepelt kísérleten alapulnak. Shepard és tanítványai (különösen Lynn Cooper) később képesek voltak bizonyítani a mentális rotációt és más kapcsolódó hatásokat meglehetősen sok különböző kísérleti elrendezésben (lásd Shepard & Cooper et al., 1982), amelyeket többnyire úgy terveztek, hogy blokkolják az eredmények alternatív értelmezéseit, amelyek elkerülnék a forgó képzetek posztulálásának szükségességét. Ezen egyéb kísérletek többsége nem tartalmazta két egyidejűleg látható kép összehasonlítását, így nem hagyott teret a Just & Carpenter által javasolt szemmozgásmagyarázatnak. Cooper & Shepard (1973) például egy, a normál, függőleges orientációjából kiforgatott ábécé betűt mutatott be kísérleti személyeinek, és ismét arra kérte őket, hogy jelezzék, hogy a betű a normál formája vagy a tükörképe (visszafelé) van-e. (lásd a 2. ábrát) Ismét azt találták, hogy a válaszidő annál hosszabb, minél jobban elforgatták az ingerlő betűt a függőlegesből (bár a kapcsolat nem volt olyan szépen lineáris, mint a korábbi kísérletben, olyan okokból, amelyek miatt nem kell minket feltartani). A feltételezett magyarázat az, hogy az alanyok elforgatják a nekik mutatott nem függőleges betű képét a kanonikus függőleges orientációba, hogy összehasonlítsák azt az emlékezetükkel, ahogy a betű normális esetben kinézne.
2. ábra
A Cooper & Shepard (1973) által használt elforgatott betű ingerek.
Cooper (pl., 1975, 1976) több kísérletet is végzett összetett szabálytalan sokszögek mentális forgatásával kapcsolatban, mint például a 3. ábrán láthatóak, és e munka egy része attól függött, hogy az alanyoknak kifejezetten azt mondták, hogy képezzenek és forgassanak mentális képeket a sokszögekről (amelyek alakját korábban megjegyezték). Ismét a reakcióidő lineáris függését találták a szögtől, ami a kép egyenletes, szabályos forgatására utal. Az ezekben a kísérletekben használt explicit képalkotási utasítások előnye, hogy egyértelműbb kapcsolatot teremtenek a mért eredmények és a képalkotás mint önkéntes kontroll alatt álló tudatos élmény között. Másfelől viszont felveti azt a nagyon is reális lehetőséget, hogy az eredményeket a “kísérleti igény” eredményeként magyarázzák (lényegében az alanyok szándékosan próbálnak olyan eredményeket produkálni, amelyekről azt hiszik, hogy a kísérletvezetők azt akarják, függetlenül a tényleges mögöttes kognitív folyamatoktól – lásd a Kiegészítést: A képalkotási kísérletek igényjellemzőinek problémája). A pszichológusok jól tudják, hogy ez nagyon is valós probléma a kísérleti pszichológiai kutatások számos területén (Orne, 1962), és különösen problematikusnak bizonyult az ilyen típusú képzeletbeli kutatásokban (Intons-Peterson, 1983). Ha azonban Cooper ezen kísérleteit együtt vesszük a többi rotációs kísérlettel, amelyek nem használtak explicit képi instrukciókat, és kevés támpontot adtak a kísérleti igényességnek az eredmények befolyásolására (pl. Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (és más, itt nem tárgyalt kísérletek: lásd Shepard & Cooper et al, 1982) meggyőzően bizonyítják a mentális rotáció jelenségének valóságosságát és robusztusságát.
3. ábra
Példák a Cooper (1975, 1976) által a mentális rotációs kísérletekben használt szabálytalan sokszögekre.
Az eredeti Shepard & Metzler (1971) tervezet (vagy annak változatai) mentális rotációs kísérletei szinte egyedülállóak a képalkotási kísérletek között abban, hogy nem függnek sem az alanyok szóbeli beszámolóitól, sem a kísérleti feladat elvégzéséhez szükséges kifejezett szóbeli utasításoktól a képalkotás használatára. Így alkalmazhatók állati kísérleti alanyok esetében is, ami felveti annak lehetőségét, hogy közvetlen bizonyítékot szolgáltassanak a képalkotás nem emberi állatokban való előfordulására. Az erre irányuló kísérletek eredményei azonban mind a madarakkal (galambok), mind a majmok különböző fajaival, enyhén szólva vegyesek és nagyrészt kiábrándítóak voltak (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). Figyelemre méltó, hogy a legmeggyőzőbb bizonyíték arra, hogy bármely állat képes a mentális rotációs stratégiát használni, és így valószínűleg képzeletet tapasztalni, a tengeri oroszlánokkal végzett munkából származik (Mauck & Dehnhardt, 1997; Stich et al.,2003).
Másrészt úgy tűnik, hogy a hatás nem kifejezetten a vizuális képalkotástól függ: ezt mutatták ki veleszületetten vak emberi alanyoknál (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), akikről általában úgy gondolják, hogy nem tapasztalnak vizuálismentális képalkotást, és így feltehetően haptikus vagy kinesztetikus képeket forgatnak. A mentális rotációs képességeket csecsemőknél (Örnkloo & von Hofsten, 2007), időseknél (Dror etal., 2005) és neurológiai problémákkal küzdő embereknél (Courboiset al., 2004; Hinnell & Virji-Babul, 2004), és vizsgálták az életkorral, nemmel, sőt a szexuális orientációval kapcsolatos különbségeket is (pl. Richardson, 1994;; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin et al., 2005; Quaiser-Pohl etal,. 2006; Maylor et al., 2007; Joanisse etal, 2008). Továbbá a mentális rotáció koncepcióját gyakorlati kérdésekben is alkalmazták a sebészeti technika javításától (Conrad et al., 2006) a diszlexia megértéséig és kezeléséig (Russeler et al.,
A mentális forgás (és általában a képalkotás) mögöttes mechanizmusairól továbbra is vita folyik, de ezeket a közelmúltban számos idegtudományi technikával vizsgálták, például a szemmozgás mérésével (de’Sperati, 2003), az agyba ültetett elektródák közvetlen rögzítésével (Georgopoulos et al., 1989).), funkcionális mágneses rezonancia képalkotás (fMRI) (pl. Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem et al., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle et al., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010) és transzkraniális mágneses stimuláció (Ganis et al., 2000). E kutatások egy része inkább a “motoros képalkotásra” (Jeannerod,1994), mint a vizuális képalkotásra összpontosított. Valójában azt sugallták, hogy a motoros folyamatok és az agy motoros területei egészen általánosságban részt vehetnek a mentálisrotációban (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al.,2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007;de lásd Flusberg & Boroditsky, 2011).