Mentale rotatie
Shepard & Metzler (1971) introduceerde het concept van mentale rotatie in de cognitiewetenschap met wat een van de bekendste experimenten in het vakgebied is geworden. Deze bekendheid kan voor een deel te danken zijn aan het feit dat het experiment geassocieerd wordt met een reeks memorabele grafische beelden (b.v. figuur 1), waarvan sommige op de omslag van het nummer van Science kwamen waar het voor het eerst werd gepubliceerd. Het is echter ook een opmerkelijk elegant experiment, dat een aantal opvallend duidelijke resultaten opleverde. De bevindingen leken rechtstreeks de behavioristische doctrine te weerleggen, die in die tijd nog steeds hoogtij vierde onder psychologen, dat denkprocessen volledig afhankelijk zijn van taal. Door te suggereren dat analoge representaties een belangrijke rol spelen in het denken, riepen de bevindingen ook prima facie moeilijkheden op (hoewel niet noodzakelijk onoverkomelijk) voor het (digitale) computermodel van de geest dat de kern vormde van het pas opkomende gebied van de cognitieve wetenschap (Block, 1983a).
Figuur 1
Enkele van de door Shepard & Metzler (1971) gebruikte stimulusfiguurparen.
A – Identieke objecten verschillend door een rotatie in het vlak van de pagina
B – Identieke objecten verschillend door een rotatie in de diepte
C – Spiegelbeeld objecten (ook geroteerd in de diepte)
Shepard & Metzler presenteerde hun proefpersonen paren van tekeningen van driedimensionale, asymmetrische assemblages van kubussen, zoals getoond in figuur 1 A, B, en C. In elk paar toonde het rechter plaatje ofwel een assemblage die identiek was aan die links, maar een bepaald stuk gedraaid ten opzichte van de oorspronkelijke positie, ofwel een assemblage die niet alleen gedraaid was, maar ook het spiegelbeeld was van die links (figuur 1 C). De experimentele opdracht was om zo snel mogelijk (door op een knop te drukken) te zeggen of de twee afgebeelde voorwerpen identiek waren (behalve de rotatie), of spiegelbeelden waren. Shepard’s hypothese was dat de taak zou worden uitgevoerd door het vormen van een driedimensionaal mentaal beeld van een van de afgebeelde voorwerpen, en het roteren van dit hele beeld, in de verbeelding, om te zien of het in overeenstemming kon worden gebracht met het andere beeld. De experimentele resultaten ondersteunden duidelijk dit idee, omdat werd vastgesteld dat voor elke proefpersoon de tijd die nodig was om te bevestigen dat beide voorwerpen van een paar in feite identiek waren, toenam in directe verhouding tot het hoekrotatieverschil tussen beide. Het was alsof de proefpersonen hun mentale beeld met een vaste snelheid roteerden (hoewel dit voor elke proefpersoon anders kon zijn), zodat hoe verder zij moesten gaan om hun beeld in overeenstemming te brengen met het referentiebeeld, hoe langer het hun zou kosten. Bij navraag na afloop van het experiment bevestigden de meeste proefpersonen dat dit inderdaad de manier was waarop zij meenden de taak te hebben uitgevoerd. (Interessant genoeg maakte het geen verschil of de rotatie in het vlak van de pagina was, of in de diepte.)
Ondanks de elegantie van dit experiment, en de duidelijke resultaten (mooie lineaire plots van reactietijd tegen rotatiehoek), ging Shepard’s interpretatie ervan als bewijs voor onherleidbaar analoge en intrinsiek ruimtelijke processen in het denken, en voor wat hij noemde een “tweede orde isomorfisme” tussen beeld en object (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), zeker niet onbetwist voorbij. Sommige onderzoekers betwistten Shepard’s bewering dat zijn resultaten aantonen dat beelden als een geheel worden geroteerd, in plaats van dat hun onderdelen op een fragmentarische manier worden vergeleken (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Meer radicaal betwijfelen sommigen of er bij de rotatietaak überhaupt wel sprake is van beeldspraak (Marks, 1999). Immers, anders dan in de experimenten met beeldspraak mnemonics, werden de proefpersonen nooit expliciet verteld om beeldspraak te gebruiken bij het uitvoeren van de vergelijkingstaak, en alternatieve verklaringen voor het resultaat (d.w.z. de lineaire relatie tussen reactietijd en rotatiehoek) zijn denkbaar. Bijvoorbeeld, Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), die de oogbewegingen van proefpersonen volgde terwijl zij een versie van de Shepard & Metzler taak uitvoerden, stelde dat de lineaire toename in reactietijd niet voortkwam uit de innerlijke rotatie van een afbeelding, maar uit een noodzaak om meer oogbewegingen te maken tussen de twee afbeeldingen (om hun kenmerken te vergelijken) naarmate zij meer ten opzichte van elkaar werden geroteerd. In de iconofobe cultuur die in het begin van de jaren 1970 in de psychologie nog heerste, was zo’n “beeldloze” interpretatie van de resultaten nog steeds een optie die volop leefde. Het betekende natuurlijk dat alle beweringen van proefpersonen dat zij mentale beelden hadden gevormd en gedraaid, buiten beschouwing moesten worden gelaten, maar het behaviorisme had psychologen al lang geleden geleerd weinig gewicht toe te kennen aan dit soort subjectieve, introspectieve gegevens.
Het pleidooi voor mentale rotatie berust echter niet alleen op dit ene beroemde experiment. Shepard en zijn studenten (vooral Lynn Cooper) waren vervolgens in staat om mentale rotatie en andere gerelateerde effecten aan te tonen in een flink aantal verschillende experimentele ontwerpen (zie Shepard & Cooper et al., 1982), meestal ontworpen om alternatieve interpretaties van de resultaten te blokkeren die de noodzaak zouden vermijden om roterende beeldspraak te postuleren. De meeste van deze andere experimenten betroffen niet de vergelijking van twee gelijktijdig zichtbare beelden, en lieten dus geen ruimte voor het soort oogbewegingsverklaring dat Just & Carpenter had gesuggereerd. Bijvoorbeeld, Cooper & Shepard (1973) presenteerde hun proefpersonen een letter van het alfabet die uit zijn normale, rechtopstaande oriëntatie was gedraaid, en vroeg hen, opnieuw, aan te geven of de letter in zijn normale vorm was of in zijn spiegelbeeld (achterwaarts) (zie figuur 2). Opnieuw bleek de reactietijd toe te nemen naarmate de stimulusletter verder van de rechtopstaande oriëntatie was gedraaid (hoewel, om redenen die ons niet behoeven bezig te houden, het verband niet zo netjes lineair was als in het eerdere experiment). De impliciete verklaring is dat de proefpersonen hun beeld van de niet-rechtopstaande letter die ze te zien krijgen roteren in zijn canonieke rechtopstaande oriëntatie, om het te vergelijken met hun herinnering aan hoe de letter er normaal zou uitzien.
Figuur 2
Geroteerde letterstimuli van het soort gebruikt door Cooper & Shepard (1973).
Cooper (e.g., 1975, 1976) deed ook verschillende experimenten met de mentale rotatie van complexe onregelmatige veelhoeken, zoals die in figuur 3, en een deel van dit werk hing af van de proefpersonen die expliciet werd verteld om mentale beelden van de veelhoeken te vormen en te roteren (waarvan ze de vorm eerder hadden onthouden). Opnieuw werd een lineaire afhankelijkheid van de reactietijd van de hoek gevonden, wat een soepele, regelmatige rotatie van een beeld suggereert. Een voordeel van de expliciete beeldinstructies die in deze experimenten werden gebruikt, is dat er een explicieter verband wordt gelegd tussen de gemeten resultaten en beeldspraak als een bewuste ervaring onder vrijwillige controle. Anderzijds opent het de zeer reële mogelijkheid dat de resultaten kunnen worden verklaard als het resultaat van “experimentele vraag” (in wezen, de proefpersonen proberen opzettelijk de resultaten te produceren die zij geloven dat de experimentatoren willen, ongeacht de werkelijke onderliggende cognitieve processen die hierbij betrokken zijn – zie Supplement: Het probleem van de vraagkarakteristieken bij beeldvormende experimenten). Het is psychologen welbekend dat dit een zeer reëel probleem is op vele terreinen van experimenteel psychologisch onderzoek (Orne, 1962), en het is aangetoond dat het bijzonder problematisch is bij dit soort beeldvormend onderzoek (Intons-Peterson, 1983). Wanneer deze experimenten van Cooper echter worden samengenomen met de andere rotatie-experimenten die geen expliciete beeldspraakinstructies gebruikten, en weinig houvast boden voor experimentele vraag om de resultaten te beïnvloeden (b.v. Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (en andere experimenten die hier niet worden besproken: zie Shepard & Cooper et al., 1982) een krachtig pleidooi voor de realiteit en robuustheid van het mentale rotatiefenomeen.
Figuur 3
Voorbeelden van onregelmatige polygonen gebruikt in mentale rotatie-experimenten van Cooper (1975, 1976).
Mentale rotatie-experimenten van het oorspronkelijke Shepard & Metzler (1971) ontwerp (of varianten daarvan), zijn bijna uniek onder beeldexperimenten in die zin dat zij niet afhankelijk zijn van verbale rapporten van de proefpersonen, noch van expliciete verbale instructies om beeldmateriaal te gebruiken bij het uitvoeren van de experimentele taak. Zij kunnen dus worden aangepast voor gebruik met dierproeven, waardoor de mogelijkheid ontstaat om direct bewijs te leveren voor het voorkomen van beeldspraak bij niet-menselijke dieren. De resultaten van pogingen om dit te doen, zowel met vogels (duiven) als met verschillende soorten apen, zijn op zijn zachtst gezegd gemengd en over het algemeen teleurstellend (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). Opmerkelijk genoeg is het meest plausibele bewijs dat dieren de mentale rotatiestrategie kunnen gebruiken, en dus waarschijnlijk beeldspraak kunnen ervaren, afkomstig van werk met zeeleeuwen (Mauck & Dehnhardt, 1997; Stich et al.,2003).
Anderzijds lijkt het effect niet specifiek af te hangen van visuele beelden: het is aangetoond bij congenitaal blinde menselijke proefpersonen (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), van wie over het algemeen wordt aangenomen dat ze geen visueel-mentale beelden ervaren, en dus vermoedelijk haptische of kinesthetische beelden roteren. Mentale rotatievaardigheden zijn ook bestudeerd bij zuigelingen (Örnkloo & von Hofsten, 2007), ouderen (Dror etal., 2005), en bij mensen met neurologische problemen (Courboiset al, 2004; Hinnell & Virji-Babul, 2004), en leeftijd, geslacht, en zelfs seksuele geaardheid gerelateerde verschillen in de prestatie ervan zijn onderzocht (bijv. Richardson, 1994;; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin et al., 2005; Quaiser-Pohl etal,. 2006; Maylor et al., 2007; Joanisse etal., 2008). Bovendien is het concept van mentale rotatie toegepast op praktische problemen, variërend van de verbetering van de chirurgische techniek (Conrad et al., 2006) tot het begrip en de behandeling van dyslexie (Russeler et al.,
Over de onderliggende mechanismen van mentale rotatie (en van verbeelding in het algemeen) bestaat nog steeds onenigheid, maar deze zijn recentelijk onderzocht met verschillende neurowetenschappelijke technieken, zoals oogbewegingsmetingen (de’Sperati, 2003), directe registratie met behulp van in de hersenen geïmplanteerde elektroden (Georgopoulos et al.,1989), functionele magnetische resonantie imaging (fMRI) (bv. Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem etal., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle etal., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010), en transcraniëlemagnetische stimulatie (Ganis et al., 2000). Een deel van dit onderzoek is gericht op “motor imagery” (Jeannerod,1994) in plaats van visuele imagery. Inderdaad is gesuggereerd dat motorische processen en motorische gebieden van de hersenen kunnen worden betrokken bij mentale rotatie vrij algemeen (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al.,2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007; maar zie Flusberg & Boroditsky, 2011).