Mentalna rotacja
Shepard & Metzler (1971) wprowadził pojęcie mentalnej rotacji do kognitywistyki, co stało się jednym z najbardziej znanych eksperymentów w tej dziedzinie. Sława ta może częściowo wynikać z faktu, że eksperyment ten kojarzy się z zestawem zapadających w pamięć obrazów graficznych (np. ryc. 1), z których część trafiła na okładkę numeru Science, w którym został po raz pierwszy opublikowany. Jest to jednak również niezwykle elegancki eksperyment, który przyniósł uderzająco jasne wyniki. Wyniki eksperymentu zdawały się bezpośrednio obalać doktrynę behawiorystyczną, która w tamtym czasie wciąż trzymała się mocno wśród psychologów, a która głosiła, że procesy myślowe zależą wyłącznie od języka. Sugerując, że reprezentacje analogowe mają ważną rolę do odegrania w myśleniu, wyniki te podniosły również prima facie trudności (choć niekoniecznie nie do pokonania) dla (cyfrowego) komputerowego modelu umysłu, który leżał u podstaw nowo powstającej dziedziny kognitywistyki (Block, 1983a).
Rysunek 1
Niektóre z par figur bodźców używanych przez Sheparda & Metzlera (1971).
A – Identyczne obiekty różniące się obrotem w płaszczyźnie kartki
B – Identyczne obiekty różniące się obrotem w głębi
C – Obiekty lustrzane (również obrócone w głębi)
Shepard & Metzler przedstawiał badanym pary rysunków trójwymiarowych, asymetrycznych asamblaży sześcianów, jak pokazano na ryc. 1 A, B i C. W każdej parze prawy rysunek albo przedstawiał złożenie identyczne z lewym, ale obrócone o pewną wartość w stosunku do pierwotnego położenia, albo przedstawiał złożenie, które nie tylko było obrócone, ale było też lustrzanym odbiciem tego po lewej (rysunek 1 C). Zadanie eksperymentalne polegało na jak najszybszym stwierdzeniu (poprzez naciśnięcie przycisku), czy dwa przedstawione obiekty są w rzeczywistości identyczne (poza rotacją), czy też są lustrzanymi odbiciami. Hipoteza Sheparda zakładała, że zadanie to zostanie wykonane poprzez stworzenie trójwymiarowego obrazu mentalnego jednego z przedstawionych obiektów i obracanie tego obrazu w wyobraźni, aby sprawdzić, czy może on zostać doprowadzony do zgodności z drugim obrazem. Wyniki eksperymentu wyraźnie poparły tę ideę, ponieważ okazało się, że dla każdego badanego czas potrzebny do potwierdzenia, że oba obiekty z pary są w rzeczywistości identyczne, wzrastał wprost proporcjonalnie do kątowej różnicy obrotów między nimi. Wyglądało to tak, jakby badani obracali swój obraz mentalny w stałym tempie (choć mogło ono być inne dla każdego badanego), tak że im dalej musieli się posunąć, aby doprowadzić swój obraz do zgodności z obrazem referencyjnym, tym dłużej im to zajmowało. Podczas pytań poeksperymentalnych, większość badanych potwierdziła, że rzeczywiście w ten sposób uważała, że wykonała zadanie. (Co ciekawe, nie było różnicy, czy obrót odbywał się w płaszczyźnie strony, czy w głąb.)
Pomimo elegancji tego eksperymentu i jasnych wyników (ładne liniowe wykresy czasu reakcji względem kąta obrotu), interpretacja Sheparda, uznająca go za dowód na nieredukowalnie analogowe i wewnętrznie przestrzenne procesy w myśleniu oraz na coś, co nazwał „izomorfizmem drugiego rzędu” między obrazem a obiektem (Shepard, 1975, 1978b, 1981, 1984), z pewnością nie pozostała bez komentarza. Niektórzy badacze zakwestionowali twierdzenie Sheparda, że jego wyniki pokazują, iż obrazy są obracane jako całość, a nie ich części porównywane fragmentarycznie (Hochberg & Gellman, 1977; Pylyshyn, 1979a; Yuille, 1983). Co bardziej radykalne, niektórzy powątpiewają, czy zadanie rotacji rzeczywiście w ogóle wiąże się z wyobrażeniami (Marks, 1999). W końcu, inaczej niż w eksperymentach z mnemotechnikami wyobrażeniowymi, osobom badanym nigdy nie powiedziano wprost, że mają używać wyobrażeń podczas wykonywania zadania porównania, a alternatywne wyjaśnienia wyniku (tj. liniowej zależności między czasem reakcji a kątem obrotu) są możliwe do pomyślenia. Na przykład Just & Carpenter (1976; Carpenter & Just, 1978), który śledził ruchy oczu badanych podczas wykonywania przez nich wersji zadania Sheparda & Metzlera, argumentował, że liniowy wzrost czasu reakcji nie wynikał z wewnętrznego obrotu obrazu, lecz z konieczności wykonania większej liczby ruchów oczu między dwoma obrazami (w celu porównania ich cech), im bardziej były one obrócone względem siebie. W kulturze ikonofobii, która wciąż dominowała w psychologii we wczesnych latach 70-tych, taka „bezobrazowa” interpretacja wyników była wciąż bardzo żywą opcją. Oczywiście, oznaczało to, że wszelkie twierdzenia badanych o tworzeniu i obracaniu obrazów mentalnych musiały zostać zdyskontowane, ale behawioryzm już dawno nauczył psychologów nadawać bardzo małą wagę tego rodzaju subiektywnym, introspekcyjnym danym.
Jednakże argument za rotacją umysłową nie opiera się wyłącznie na tym jednym słynnym eksperymencie. Shepard i jego studenci (zwłaszcza Lynn Cooper) byli następnie w stanie zademonstrować rotację umysłową i inne powiązane efekty w dość dużej liczbie różnych projektów eksperymentalnych (zob. Shepard & Cooper et al., 1982), zaprojektowanych głównie w celu zablokowania alternatywnych interpretacji wyników, które pozwoliłyby uniknąć konieczności postulowania rotacyjnych wyobrażeń. Większość z tych innych eksperymentów nie obejmowała porównania dwóch jednocześnie widocznych obrazów, nie pozostawiając tym samym miejsca na tego rodzaju wyjaśnienie ruchu gałek ocznych, jakie sugerował Just & Carpenter. Na przykład, Cooper & Shepard (1973) przedstawił swoim badanym literę alfabetu obróconą z jej normalnej, pionowej orientacji i poprosił ich, ponownie, o wskazanie, czy litera była w swojej normalnej formie, czy jej lustrzanym odbiciu (do tyłu) (patrz rysunek 2).Po raz kolejny stwierdzono, że czas odpowiedzi wzrastał im dalej litera bodźca była obrócona od pionu (chociaż, z powodów, które nie muszą nas zatrzymywać, zależność nie była tak czysto liniowa, jak we wcześniejszym eksperymencie). Domyślne wyjaśnienie jest takie, że badani obracają swój obraz litery niepionowej, która jest im pokazywana, do jej kanonicznej orientacji pionowej, aby porównać go ze swoją pamięcią tego, jak litera ta wyglądałaby normalnie.
Rys. 2
Bodźce w postaci obróconej litery w rodzaju używanym przez Coopera & Sheparda (1973).
Cooper (np.., 1975, 1976) przeprowadził również kilka eksperymentów dotyczących umysłowego obracania złożonych nieregularnych wielokątów, takich jak te na rycinie 3, a część z tych prac polegała na tym, że badanym wyraźnie kazano tworzyć i obracać umysłowe obrazy wielokątów (których kształt wcześniej zapamiętali). Ponownie stwierdzono liniową zależność czasu reakcji od kąta, co sugeruje płynny, regularny obrót obrazu. Zaletą wyraźnych instrukcji wyobrażeniowych zastosowanych w tych eksperymentach jest to, że tworzą one bardziej wyraźny związek między mierzonymi wynikami a wyobrażeniami jako świadomym doświadczeniem pod dobrowolną kontrolą. Z drugiej strony, otwiera to bardzo realną możliwość, że wyniki mogą zostać wytłumaczone jako rezultat „eksperymentalnego popytu” (zasadniczo, osoby badane celowo starają się uzyskać rezultaty, które ich zdaniem są pożądane przez eksperymentatorów, niezależnie od rzeczywistych procesów poznawczych leżących u ich podstaw – patrz Suplement: The Problem of Demand Characteristics in Imagery Experiments). Psychologowie wiedzą, że jest to bardzo realny problem w wielu dziedzinach eksperymentalnych badań psychologicznych (Orne, 1962), a okazało się, że jest on szczególnie problematyczny w tego typu badaniach wyobrażeniowych (Intons-Peterson, 1983). Jednakże, gdy te eksperymenty Coopera są brane pod uwagę razem z innymi eksperymentami rotacyjnymi, które nie używały wyraźnych instrukcji wyobrażeniowych i dawały niewielkie pole do popisu dla popytu eksperymentalnego, aby wpłynąć na wyniki (np. Shepard & Metzler, 1971; Shepard & Cooper, 1973) (i inne eksperymenty nie omawiane tutaj: zobacz Shepard & Cooper i in, 1982) stanowią mocny argument za realnością i solidnością zjawiska rotacji mentalnej.
Rysunek 3
Przykłady nieregularnych wielokątów używanych w eksperymentach rotacji mentalnej przez Coopera (1975, 1976).
Z drugiej strony, efekt nie wydaje się zależeć specyficznieupon wizualne wyobrażenia: to zostało wykazane w congenitallyblind ludzi (Marmor & Zaback, 1976; Carpenter &Eisenberg, 1978), którzy są ogólnie uważa się nie doświadczyć visualmental wyobrażenia, a zatem są przypuszczalnie obracając haptic lub kinestheticimages. Zdolności rotacji umysłowej badano również u niemowląt (Örnkloo & von Hofsten, 2007), osób starszych (Dror etal., 2005) oraz u osób z problemami neurologicznymi (Courboiset al., Richardson, 1994; Terlecki &Newcombe, 2005; Levin et al., 2005; Quaiser-Pohl etal,. 2006; Maylor et al., 2007; Joanisse etal., 2008). Co więcej, koncepcja rotacji umysłowej została zastosowana w praktyce, od poprawy techniki chirurgicznej (Conrad i in., 2006) do zrozumienia i leczenia dysleksji (Russeler i in., 2005).
Nadal trwają kontrowersje na temat mechanizmów leżących u podstaw mentalnej rotacji (jak i wyobraźni w ogóle), ale zostały one ostatnio zbadane za pomocą kilku technik neuronaukowych, takich jak pomiary ruchu gałek ocznych (de’Sperati, 2003), bezpośredni zapis z elektrod wszczepionych do mózgu (Georgopoulos i in.,1989), funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI) (np., Cohenet al., 1996; Richter et al., 2000; Creem etal., 2001; Koshino et al., 2005; O’Boyle etal., 2005), EEG (Prime & Jolicoeur, 2010) i przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (Ganis et al., 2000). Niektóre z tych badań koncentrowały się raczej na „wyobrażeniach motorycznych” (Jeannerod, 1994) niż na wyobrażeniach wzrokowych. Rzeczywiście, zasugerowano, że procesy motoryczne i obszary motoryczne mózgu mogą być zaangażowane w mentalną rotację dość ogólnie (Kosslyn, 1994; Wexler, Kosslyn &Berthoz, 1998; Wohlschläger, 2001; Tomasino et al.,2005; Amorim et al., 2006; Eisenegger et al., 2007; ale patrz Flusberg & Boroditsky, 2011).