Mental Rotation
Shepard & Metzler (1971) ha introdotto il concetto di rotazione mentale nella scienza cognitiva con quello che è diventato uno degli esperimenti più noti nel campo. Questa fama può, in parte, essere dovuta al fatto che l’esperimento è associato a una serie di immagini grafiche memorabili (per esempio, la figura 1), alcune delle quali sono finite sulla copertina del numero di Science dove è stato pubblicato per la prima volta. Tuttavia, è anche un esperimento notevolmente elegante, che ha prodotto alcuni risultati sorprendentemente chiari. I risultati sembravano confutare direttamente la dottrina comportamentista, che all’epoca aveva ancora una notevole influenza tra gli psicologi, secondo cui i processi di pensiero dipendono interamente dal linguaggio. Suggerendo che le rappresentazioni analogiche hanno un ruolo importante da giocare nel pensiero, i risultati sollevarono anche difficoltà prima facie (anche se non necessariamente insormontabili) per il modello computerizzato (digitale) della mente che era al centro del nuovo campo emergente della scienza cognitiva (Block, 1983a).
Figura 1
Alcune delle coppie di figure stimolo usate da Shepard & Metzler (1971).
A – Oggetti identici che differiscono per una rotazione nel piano della pagina
B – Oggetti identici che differiscono per una rotazione in profondità
C – Oggetti speculari (anch’essi ruotati in profondità)
Shepard & Metzler ha presentato ai suoi soggetti coppie di disegni di assemblaggi tridimensionali e asimmetrici di cubi, come mostrato nella figura 1 A, B e C. In ogni coppia, il disegno di destra mostrava un assemblaggio identico a quello mostrato a sinistra, ma ruotato rispetto alla posizione originale di una certa quantità, oppure mostrava un assemblaggio che non solo era ruotato, ma era anche l’immagine speculare di quello a sinistra (figura 1 C). Il compito sperimentale era quello di dire, il più rapidamente possibile (premendo un pulsante) se i due oggetti rappresentati erano in realtà identici (tranne che per la rotazione), o erano immagini speculari. L’ipotesi di Shepard era che il compito sarebbe stato svolto formando un’immagine mentale tridimensionale di uno degli oggetti raffigurati, e ruotando tutta questa immagine, nella fantasia, per vedere se poteva essere portata in corrispondenza con l’altra immagine. I risultati sperimentali supportarono chiaramente questa idea, perché si trovò che, per ogni soggetto, il tempo impiegato per confermare che entrambi gli oggetti di una coppia erano, in effetti, identici, aumentava in proporzione diretta alla differenza angolare di rotazione tra di loro. Era come se i soggetti ruotassero la loro immagine mentale ad una velocità costante (anche se questo potrebbe essere diverso per ogni soggetto), in modo che più lontano dovevano andare per portare la loro immagine in corrispondenza con l’immagine di riferimento, più tempo avrebbero impiegato. Nell’interrogazione post-sperimentale, la maggior parte dei soggetti ha confermato che questo era effettivamente il modo in cui credevano di aver svolto il compito. (È interessante notare che non faceva differenza se la rotazione avveniva sul piano della pagina o in profondità.)
Nonostante l’eleganza di questo esperimento e i risultati chiari (bei grafici lineari del tempo di reazione rispetto all’angolo di rotazione), l’interpretazione di Shepard come prova di processi irriducibilmente analogici e intrinsecamente spaziali nel pensiero, e di quello che lui chiamava un “isomorfismo di secondo ordine” tra immagine e oggetto (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), non è certo passata sotto silenzio. Alcuni ricercatori hanno contestato l’affermazione di Shepard secondo cui i suoi risultati mostrano che le immagini vengono ruotate come un tutto, piuttosto che le loro parti vengono confrontate in modo frammentario (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Più radicalmente, alcuni hanno messo in dubbio che il compito di rotazione coinvolga davvero le immagini (Marks, 1999). Dopo tutto, a differenza degli esperimenti con la mnemotecnica delle immagini, ai soggetti non è mai stato esplicitamente detto di usare le immagini nell’eseguire il compito di confronto, e spiegazioni alternative del risultato (cioè la relazione lineare tra tempo di reazione e angolo di rotazione) sono concepibili. Per esempio, Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), che ha seguito i movimenti oculari dei soggetti mentre eseguivano una versione del compito di Shepard & Metzler, ha sostenuto che l’aumento lineare del tempo di reazione non derivava dalla rotazione interna di un’immagine, ma dalla necessità di fare più movimenti oculari tra le due immagini (per confrontare le loro caratteristiche) più erano ruotate l’una rispetto all’altra. Nella cultura iconofobica che ancora prevaleva in psicologia nei primi anni ’70, tale interpretazione “senza immagini” dei risultati era ancora un’opzione molto viva. Naturalmente, significava che qualsiasi affermazione da parte dei soggetti di aver formato e ruotato immagini mentali doveva essere scontata, ma il comportamentismo aveva da tempo insegnato agli psicologi a dare poco peso a questo tipo di dati soggettivi e introspettivi.
Tuttavia, il caso della rotazione mentale non si basa solo su questo celebre esperimento. Shepard e i suoi studenti (specialmente Lynn Cooper) sono stati successivamente in grado di dimostrare la rotazione mentale e altri effetti correlati in un discreto numero di diversi disegni sperimentali (vedi Shepard & Cooper et al., 1982) per lo più progettati per bloccare interpretazioni alternative dei risultati che avrebbero evitato la necessità di postulare immagini rotanti. La maggior parte di questi altri esperimenti non prevedeva il confronto di due immagini visibili simultaneamente, non lasciando così spazio al tipo di spiegazione dei movimenti oculari che Just & Carpenter aveva suggerito. Per esempio, Cooper & Shepard (1973) presentò ai suoi soggetti una lettera dell’alfabeto ruotata rispetto al suo normale orientamento verticale e chiese loro, ancora una volta, di indicare se la lettera fosse nella sua forma normale o nella sua immagine speculare (all’indietro) (vedi figura 2). Ancora una volta il tempo di risposta risultò aumentare quanto più la lettera stimolo era ruotata dalla posizione verticale (anche se, per ragioni che non devono trattenerci, la relazione non era così nettamente lineare come nell’esperimento precedente). La spiegazione implicita è che i soggetti ruotano la loro immagine della lettera non dritta che viene mostrata nel suo orientamento canonico dritto, al fine di confrontarla con la loro memoria di come la lettera apparirebbe normalmente.
Figura 2
Stimoli lettera ruotata del tipo usato da Cooper & Shepard (1973).
Cooper (es, 1975, 1976) ha anche fatto diversi esperimenti sulla rotazione mentale di poligoni irregolari complessi, come quelli della figura 3, e alcuni di questi lavori dipendevano dal fatto che ai soggetti veniva esplicitamente detto di formare e ruotare immagini mentali dei poligoni (la cui forma era stata precedentemente memorizzata). Ancora una volta, è stata riscontrata una dipendenza lineare del tempo di reazione dall’angolo, suggerendo una rotazione fluida e regolare di un’immagine. Un vantaggio delle istruzioni esplicite sulle immagini utilizzate in questi esperimenti è che crea un collegamento più esplicito tra i risultati misurati e le immagini come un’esperienza cosciente sotto controllo volontario. D’altra parte, si apre la possibilità molto reale che i risultati possano essere spiegati come il risultato della “domanda sperimentale” (essenzialmente, i soggetti cercano deliberatamente di produrre i risultati che credono che gli sperimentatori vogliano, indipendentemente dai reali processi cognitivi sottostanti coinvolti – vedi Supplemento: Il problema delle caratteristiche della domanda negli esperimenti di immaginazione). Questo è ben noto agli psicologi per essere un problema molto reale in molte aree della ricerca psicologica sperimentale (Orne, 1962), ed è stato dimostrato essere particolarmente problematico nella ricerca di immaginazione di questo tipo (Intons-Peterson, 1983). Tuttavia, quando questi esperimenti di Cooper sono presi insieme agli altri esperimenti di rotazione che non hanno usato istruzioni esplicite di immagini, e hanno dato poco appiglio alla domanda sperimentale per influenzare i risultati (per esempio, Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (e altri esperimenti non discussi qui: vedi Shepard & Cooper et al, 1982) essi costituiscono un potente argomento a favore della realtà e della robustezza del fenomeno della rotazione mentale.
Figura 3
Esempi di poligoni irregolari usati negli esperimenti di rotazione mentale di Cooper (1975, 1976).
Gli esperimenti di rotazione mentale del disegno originale di Shepard & Metzler (1971) (o varianti di esso), sono quasi unici tra gli esperimenti di immaginazione in quanto non dipendono né dai rapporti verbali dei soggetti, né dalle istruzioni verbali esplicite di usare le immagini nell’eseguire il compito sperimentale. Possono quindi essere adattati per l’uso con soggetti animali, sollevando la possibilità di fornire prove dirette della presenza di immagini in animali non umani. I risultati dei tentativi di fare questo, tuttavia, sia con gli uccelli (piccioni) che con varie specie di scimmie, sono stati misti, per non dire altro, e in gran parte deludenti (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). Notevolmente, la prova più plausibile che qualsiasi animale può usare la strategia di rotazione mentale, e quindi probabilmente sperimentare l’immaginazione, viene dal lavoro con i leoni marini (Mauck & Dehnhardt, 1997; Stich et al.,2003).
D’altra parte, l’effetto non sembra dipendere specificamente dalle immagini visive: è stato dimostrato in soggetti umani congenitamente ciechi (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), che sono generalmente ritenuti non sperimentare immagini visive, e quindi stanno presumibilmente ruotando immagini tattili o cinestetiche. Le capacità di rotazione mentale sono state studiate anche nei neonati (Örnkloo & von Hofsten, 2007), negli anziani (Dror etal., 2005) e in persone con problemi neurologici (Courboiset al., 2004; Hinnell & Virji-Babul, 2004), e le differenze legate all’età, al sesso e anche all’orientamento sessuale nelle sue prestazioni sono state studiate (per esempio, Richardson, 1994; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin et al., 2005; Quaiser-Pohl et al. 2006; Maylor et al., 2007; Joanisse et al., 2008). Inoltre, il concetto di rotazione mentale è stato applicato a questioni pratiche che vanno dal miglioramento della tecnica chirurgica (Conrad et al., 2006) alla comprensione e al trattamento della dislessia (Russeler et al., 2005).
Continua la controversia sui meccanismi alla base della rotazione mentale (come dell’immaginazione in generale), ma questi sono stati recentemente indagati da diverse tecniche neuroscientifiche, come la misurazione del movimento degli occhi (de’Sperati, 2003), la registrazione diretta da elettrodi impiantati nel cervello (Georgopoulos et al.,1989), risonanza magnetica funzionale (fMRI) (ad esempio, Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem etal., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle etal., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010), e stimolazione transcranialmagnetica (Ganis et al., 2000). Alcune di queste ricerche si sono concentrate sulle “immagini motorie” (Jeannerod, 1994) piuttosto che sulle immagini visive. Infatti, è stato suggerito che i processi motori e le aree motorie del cervello possono essere coinvolti nella rotazione mentale abbastanza in generale (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al.,2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007; ma vedi Flusberg & Boroditsky, 2011).