Мысленное вращение объектов: исследования и механизмы.

Введение

Ротация объекта в уме

Ментальная ротация – это способность вращать мысленные представления двухмерных и трехмерных объектов, подобно тому, как визуализируется вращение этих объектов в человеческом уме. Существует взаимосвязь между областями мозга, отвечающими за восприятие, и ментальной ротацией. Также может существовать связь между когнитивной скоростью пространственного мышления, общим интеллектом и ментальной ротацией. Ментальную ротацию можно описать как процесс перемещения объектов в мозге для понимания их формы и положения. Ментальная ротация изучалась для выяснения механизмов распознавания объектов в окружающей среде. Исследователи обычно называют такие объекты стимулами. Ментальная ротация является одной из когнитивных функций, позволяющих определить, что представляет собой измененный объект. Ментальную ротацию можно разделить на следующие когнитивные стадии: согласно исследованиям Шепарда и Метцлера (1971),

Шепард и Метцлер (1971)

Роджер Шепард и Жаклин Метцлер (1971) одними из первых начали исследовать это явление. В их эксперименте специально изучалось ментальное вращение трехмерных объектов. Каждому участнику предъявляли несколько пар трехмерных асимметричных объектов, состоящих из линий или кубов. Эксперимент был разработан для измерения времени, необходимого каждому участнику, чтобы определить, представляют ли пары объектов один и тот же объект или два различных объекта. Их исследование показало, что время реакции участников на вопрос о совпадении или несовпадении пары объектов линейно зависело от угла поворота от исходного положения. Иными словами, чем больше объект был повернут от исходного положения, тем больше времени требовалось участнику, чтобы определить, являются ли два изображения одним и тем же объектом или его зеркальным отражением.

Ванденберг и Кузе (1978)

В 1978 году Стивен Г. Ванденберг и Аллан Р. Кузе разработали тест на ментальные вращения (MRT) для оценки способностей к ментальным вращениям, основываясь на оригинальном исследовании Шепарда и Метцлера (1971). Тест на ментальные вращения был создан с использованием рисунков, выполненных тушью. Каждый стимул представлял собой двумерное изображение трехмерного объекта, сгенерированного компьютером. Затем изображение отображалось на осциллоскопе. Каждое изображение демонстрировалось в различных ориентациях, полученных вращением вокруг вертикальной оси. Изначальный тест состоял из 20 заданий, требующих сравнения четырех фигур с эталонной, среди которых две были правильными. В соответствии с основными принципами эксперимента Шепарда и Метцлера, данное исследование выявило значительную разницу в результатах теста на ментальные вращения между мужчинами и женщинами, при этом мужчины показали лучшие результаты. Корреляции с другими измерениями продемонстрировали сильную связь с тестами на пространственное воображение и отсутствие связи с вербальными способностями.

Нейропсихология

В 2000 году было проведено исследование, чтобы выяснить, какая часть мозга активируется при выполнении умственного вращения. В этом эксперименте приняли участие семь добровольцев (четыре мужчины и три женщины) в возрасте от двадцати девяти до шестидесяти шести лет. В ходе исследования участникам показывали по 8 символов 4 раза каждый (два раза в нормальной ориентации и два раза в зеркальном отображении), и им необходимо было определить, находится ли символ в нормальной конфигурации или является его зеркальным отражением. Во время выполнения этой задачи было проведено ПЭТ-сканирование, которое выявило активацию в правой задней теменной доле. Исследования с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) активации мозга при умственном вращении последовательно демонстрируют усиление активации теменной доли, в частности, межтеменной борозды, которое зависит от сложности задачи. В целом, чем больше угол вращения, тем выше мозговая активность, связанная с задачей. Это усиление мозговой активности сопровождается увеличением времени, необходимого для выполнения задачи вращения, и повышением количества ошибок. Исследователи утверждают, что усиление мозговой активности, увеличение времени и повышение частоты ошибок указывают на то, что сложность задачи пропорциональна углу вращения. Исследование 2006 года показало, что при умственном вращении, по сравнению с базовым уровнем, активируются следующие области мозга: двусторонняя медиальная височная извилина, левая медиальная затылочная извилина, двусторонняя верхняя затылочная извилина, двусторонняя верхняя теменная доля и левая нижняя затылочная извилина во время выполнения задания на вращение.

Разработка

Исследование 2008 года показало, что различия могут возникать уже на ранних этапах развития. Эксперимент был проведен на младенцах в возрасте от 3 до 4 месяцев с использованием задания на мысленное вращение объектов в двухмерном пространстве. Для этого использовался аппарат предпочтений, который регистрировал время, в течение которого младенец смотрел на стимул. Сначала участникам демонстрировали цифру "1" и ее различные вращения, чтобы они с ней ознакомились. Затем им показывали изображение цифры "1", повернутой и отраженной зеркально. Результаты указывают на то, что гендерные различия могут проявляться уже в раннем возрасте, поскольку исследование показало, что мальчики более восприимчивы к зеркальному изображению. Согласно исследованию, это может означать, что мальчики и девочки по-разному обрабатывают мысленное вращение даже в младенчестве. Подтверждая наличие этих различий на ранних этапах развития, другие исследования выявили гендерные различия в тестах на мысленное вращение во всех возрастных группах, включая детей младшего возраста. Интересно, что для других категорий пространственных тестов эти различия проявлялись значительно позже. Было установлено, что способность мысленно вращать объекты можно обнаружить у младенцев уже в 3 месяца. Кроме того, процессы мысленного вращения, развивающиеся в младенчестве, вероятно, сохраняются с течением времени и во взрослом возрасте, что указывает на врожденный и относительно неизменный компонент в человеческом восприятии мысленного вращения. Дополнительные факторы, которые, по-видимому, влияют на результаты тестов на мысленное вращение у младенцев, включают двигательную активность, сложность стимулов, уровень гормонов и отношение родителей.

Цвет

Физические объекты, которые люди представляют себе вращающимися в повседневной жизни, обладают множеством свойств, таких как текстура, форма и цвет. В Калифорнийском университете Санта-Барбары было проведено исследование, чтобы конкретно выяснить, в какой степени визуальная информация, например цвет, представлена в процессе умственной ротации. В исследовании использовались различные методы, включая изучение времени реакции, анализ вербальных протоколов и отслеживание движений глаз. В первоначальных экспериментах по измерению времени реакции было обнаружено, что на тех, кто испытывает трудности с умственной ротацией, влиял цвет изображения, в то время как те, кто хорошо справляется с этой задачей, не испытывали такого влияния. В целом, участники с низкой способностью к ротации быстрее и точнее распознавали изображения с постоянной цветовой схемой. Анализ вербальных протоколов показал, что испытуемые с низкой пространственной ориентацией чаще упоминали цвет при выполнении заданий на умственную ротацию, чем участники с высокой пространственной ориентацией. Данный эксперимент показал, что люди с более высокой способностью к ротации реже представляют цвет в процессе умственной ротации. Те, кому умственная ротация дается с трудом, с большей вероятностью будут представлять цвет, используя поэтапные стратегии (Khooshabeh & Hegarty, 2008).

Спортивные, музыкальные и художественные навыки

Были проведены исследования влияния атлетизма и художественных способностей на ментальную ротацию. Пиetsch, S., & Jansen, P. (2012) показали, что люди, занимающиеся спортом или музыкой, демонстрировали более быстрое время реакции, чем те, кто не занимался этими видами деятельности. Это было проверено путем разделения людей в возрасте от 18 лет и старше на три группы: студенты-музыканты, студенты-спортсмены и студенты-педагоги. Было обнаружено, что студенты, специализирующиеся на спорте или музыке, показывали значительно лучшие результаты, чем педагоги. Также было выявлено, что спортсмены-мужчины и студенты-педагоги в эксперименте были быстрее, чем их коллеги женского пола, однако среди музыкантов не наблюдалось существенной разницы в скорости реакции между мужчинами и женщинами. Исследование 2007 года подтвердило, что музыканты лучше справляются с задачами на ментальную ротацию, чем люди, не занимающиеся музыкой. В частности, у оркестрантов показатели выполнения MRT были значительно выше, чем средние по популяции. Moreau, D., Clerc et al. (2012) также исследовали, обладают ли спортсмены лучшим пространственным восприятием, чем не спортсмены. В этом эксперименте студенты колледжей проходили тест на ментальную ротацию до начала спортивных тренировок и после них. Участники тренировались в двух разных видах спорта, чтобы выяснить, улучшит ли это их пространственное восприятие. Было обнаружено, что после тренировок участники показывали лучшие результаты в тесте на ментальную ротацию, чем до начала тренировок. Этот эксперимент показал, что если люди смогут найти способы тренировки своих навыков ментальной ротации, они смогут легче и эффективнее справляться с задачами, требующими развитого пространственного мышления. Исследователи изучили различия в способности к ментальной ротации у гимнастов, гандболистов и футболистов, используя как глубокую, так и плоскую ротацию. Результаты показали, что спортсмены лучше справлялись с задачами на ментальную ротацию, которые были тесно связаны с их видом спорта. Существует корреляция между ментальной ротацией и моторными навыками у детей, особенно выраженная у мальчиков в возрасте 7–8 лет. Исследование показало значительное совпадение между пространственным мышлением и атлетическими способностями даже у маленьких детей. Тест на ментальную ротацию (MRT) был проведен среди гимнастов, ориентировщиков, бегунов и не спортсменов. Результаты показали, что не спортсмены значительно уступали гимнастам и ориентировщикам, но не бегунам. Гимнасты (эгоцентричные спортсмены) не превзошли ориентировщиков (аллоцентричные спортсмены). Эгоцентричность подразумевает понимание положения своего тела относительно объектов в пространстве, а аллоцентричность – понимание взаимосвязи между несколькими объектами в пространстве независимо от собственной перспективы. В одном исследовании изучалось влияние ментальной ротации на устойчивость. Участники выполняли задание на ментальную ротацию (MR) с использованием стимулов, связанных со стопами, руками или не относящихся к телу (например, автомобиль), а затем должны были удерживать равновесие на одной ноге. Результаты показали, что задания MR, включающие стимулы, связанные со стопами, были более эффективными для улучшения равновесия, чем стимулы, связанные с руками или автомобилем, даже спустя 60 минут. Вопреки ожиданиям, предыдущие исследования, изучавшие превосходство художников в ментальной ротации, дали противоречивые результаты, и недавнее исследование подтверждает отсутствие значимых различий. Предполагается, что художники хорошо распознают, создают и активируют визуальные стимулы, но не обязательно умеют ими манипулировать. Исследование 2018 года изучало влияние изучения различных предметов в высшем образовании на способность к ментальной ротации. Исследователи обнаружили, что студенты-архитекторы показали значительно лучшие результаты, чем студенты-художники, которые, в свою очередь, показали значительно лучшие результаты, чем студенты-психологи и студенты-экономисты, с учетом гендерных и других демографических различий. Эти результаты логичны, учитывая, что студенты-архитекторы хорошо знакомы с манипулированием ориентацией объектов в пространстве.

Research on how athleticism and artistic ability affect mental rotation has been conducted. Pietsch, S., & Jansen, P. (2012) showed that people who were athletes or musicians had faster reaction times than people who were not. They tested this by splitting people from the age of 18 and higher into three groups. The groups consisted of music students, sports students, and education students. It was found that students who were focused on sports or music did much better than those who were education majors. Also, it was found that the male athletes and education majors in the experiment were faster than the respective females, but male and female musicians showed no significant difference in reaction time. A 2007 study supported the results that musicians perform better on mental rotation tasks than non musicians. In particular, orchestral musicians' MRT task performance exhibited aptitude levels significantly higher than the population baseline. Moreau, D., Clerc, et al. (2012) also investigated if athletes were more spatially aware than non athletes. This experiment took undergraduate college students and tested them with the mental rotation test before any sport training, and then again afterward. The participants were trained in two different sports to see if this would help their spatial awareness. It was found that the participants did better on the mental rotation test after they had trained in the sports, than they did before the training. This experiment brought to the research that if people could find ways to train their mental rotation skills they could perform better in high context activities with greater ease. Researchers studied the difference in mental rotation ability between gymnasts, handball, and soccer players with both in depth and in plane rotations. Results suggested that athletes were better at performing mental rotation tasks that were more closely related to their sport of expertise. There is a correlation in mental rotation and motor ability in children, and this connection is especially strong in boys ages 7–8. The study showed that there is considerable overlap between spatial reasoning and athletic ability, even among young children. A mental rotation test (MRT) was carried out on gymnasts, orienteers, runners, and non athletes. Results showed that non athletes were greatly outperformed by gymnasts and orienteers, but not runners. Gymnasts (egocentric athletes) did not outperform orienteers (allocentric athletes). Egocentric indicates understanding the position of your body as it relates to objects in space, and allocentric indicates understanding the relation of multiple objects in space independently of the self perspective. A study investigated the effect of mental rotation on postural stability. Participants performed a MR (mental rotation) task involving either foot stimuli, hand stimuli, or non body stimuli (a car) and then had to balance on one foot. The results suggested that MR tasks involving foot stimuli were more effective at improving balance than hand or car stimuli, even after 60 minutes. Contrary to what one might expect, previous studies examining whether artists are superior at mental rotation have been mixed, and a recent study substantiates the null findings. It has been theorized that artists are adept at recognizing, creating, and activating visual stimuli, but not necessarily at manipulating them. A 2018 study examined the effect of studying various subjects within higher education on mental rotation ability. The researchers found that architecture students performed significantly better than art students, who performed significantly better than both psychology and business majors, with gender and other demographic differences accounted for. These findings make sense intuitively, given that architecture students are highly acquainted with manipulating the orientation of structures in space.

Секс

После исследования Ванденберга и Кузе последующие исследования были направлены на оценку наличия гендерных различий в способности к ментальной ротации. В течение первых двух десятилетий после этого исследования тема рассматривалась в различных мета-анализах, результаты которых были непоследовательными. Однако в 1995 году Войер и др. провели всесторонний обзор, который показал, что гендерные различия являются надежными и более выраженными в определенных задачах, что указывает на влияние пола на процессы, лежащие в основе результатов тестов на пространственную память. Подобно другим типам задач пространственного мышления, мужчины, как правило, демонстрируют статистически значимое превосходство над женщинами в исследованиях ментальной ротации. Как упоминалось выше, многие исследования показали разницу в результатах между мужчинами и женщинами в задачах ментальной ротации. Чтобы лучше понять эту разницу, изучалась активация мозга во время выполнения задачи ментальной ротации. Исследование 2012 года показало, что уровень тестостерона (основного андрогена) у молодых мужчин отрицательно коррелирует с количеством ошибок и временем реакции в тесте ментальной ротации. Следовательно, более высокий уровень тестостерона, вероятно, способствует лучшим результатам. Другое исследование, проведенное в 2015 году, было посвящено способностям женщин в задачах ментальной ротации и распознавания эмоций. В этом эксперименте участницам создавали ситуацию, в которой они чувствовали себя более или менее уверенно. Исследователи пришли к выводу, что женщины, находящиеся в состоянии уверенности, лучше справляются с задачей ментальной ротации (но хуже с задачей распознавания эмоций), чем другие женщины. Интересно, что типы когнитивных стратегий, которые обычно используют мужчины и женщины, могут играть роль. В литературе установлено, что мужчины обычно предпочитают целостные стратегии, в то время как женщины предпочитают аналитические, вербальные стратегии и сосредотачиваются на конкретных частях общей задачи. Женщины также, как правило, действуют более осторожно, тратя больше времени на повторную проверку ошибочных ответов, чем мужчины. Следовательно, женщинам требуется больше времени для выполнения своей стратегии при решении задач, таких как тест ментальной ротации. Чтобы определить значимость этого фактора, Хирнштейн и др. (2009) разработали модифицированный тест ментальной ротации, в котором количество соответствующих фигур могло варьироваться от нуля до четырех, что, по сравнению с оригинальным тестом, благоприятствовало стратегии, наиболее часто используемой женщинами. Исследование показало, что гендерные различия несколько уменьшились, но мужчины все равно превосходили женщин. В том же направлении исследование 2021 года выявило интересные результаты в попытке понять механизмы, лежащие в основе установленного гендерного разрыва. Исследователи предположили, что характеристики задачи, а не только анатомические или социальные различия, могут объяснить преимущество мужчин в ментальной ротации. В частности, объекты для вращения были изменены с типичных геометрических или сферических форм на объекты, стереотипно ассоциирующиеся с мужчинами или женщинами, такие как трактор и детская коляска соответственно. Результаты показали значительные гендерные различия только при использовании объектов, стереотипно ассоциирующихся с мужчинами. При использовании объектов, стереотипно ассоциирующихся с женщинами, мужчины и женщины демонстрировали одинаковые результаты. Этот вывод может объяснить основные причины обычных расхождений в результатах, поскольку способность мужчин показывать немного лучшие результаты в тестах ментальной ротации, вероятно, связана с эволюционной применимостью пространственного мышления. Объекты, не имеющие отношения к историческим мужским гендерным ролям и, следовательно, обычно незнакомые мужчинам, гораздо сложнее для них представить в пространстве, чем более знакомые формы. Аналогично, другие недавние исследования показывают, что разница в когнитивных задачах на ментальную ротацию может быть следствием процедуры и искусственности стимулов. Исследование 2017 года использовало фотографии и трехмерные модели, оценивая различные подходы и стимулы. Результаты показали, что изменение стимулов может устранить любое мужское преимущество, обнаруженное в тесте Ванденберга и Кузе (1978). Изучение различий в мозге мужчин и женщин может иметь интересные применения. Например, это может помочь в понимании расстройств аутистического спектра. Одна из теорий, касающихся аутизма, — это ЭМВ (экстремальный мужской мозг). Эта теория рассматривает людей с аутизмом как обладающих "экстремальным мужским мозгом". В исследовании 2015 года исследователи подтвердили, что существует разница между мужчинами и женщинами в задаче ментальной ротации (изучая людей без аутизма): мужчины более успешны. Затем они подчеркнули, что люди с аутизмом не демонстрируют эту "мужскую производительность" в задаче ментальной ротации. Они завершили свое исследование выводом о том, что "люди с аутизмом не обладают экстремальной версией мужского когнитивного профиля, как предполагается в теории ЭМВ". Могут существовать связи между компетентными движениями тела и скоростью, с которой люди могут выполнять ментальную ротацию. Исследователи обнаружили, что дети, тренировавшиеся в задачах ментальной ротации, улучшили свои стратегические навыки после практики. Люди используют различные стратегии для выполнения задач; психологи будут изучать участников, использующих определенные когнитивные навыки, чтобы сравнить компетентность и время реакции. Другие продолжат изучать различия в компетентности ментальной ротации в зависимости от вращаемых объектов. Идентификация участников с объектом может затруднять или облегчать их способность к ментальной ротации в зависимости от пола и возраста, что подтверждает более раннее утверждение о том, что у мужчин более быстрое время реакции. Психологи продолжат тестировать сходства между ментальной и физической ротацией, изучая разницу во времени реакции и ее связь с экологическими последствиями.

Following the Vandenberg and Kuse study, subsequent research attempted to assess the presence of gendered differences in mental rotation ability. For the first couple of decades immediately following the research, the topic was addressed in different meta analyses with inconclusive results. However, Voyer et al. conducted a comprehensive review in 1995, which showed that gender differences were reliable and more pronounced in specific tasks, indicating that sex affects the processes underlying performance in spatial memory tests. Analogous to other types of spatial reasoning tasks, men tended to outperform women by a statistically significant margin among the MR literature. As mentioned above, many studies have shown that there is a difference between male and female performance in mental rotation tasks. To learn more about this difference, brain activation during a mental rotation task was studied. In 2012, a study Additionally, the significant role of hormonal variation between the sexes was supported by a 2004 study, which revealed that testosterone (a principal androgen) level in young men was negatively correlated with the number of errors and response time in the MRT. Therefore, higher levels of testosterone probably contribute to better performance. Another study from 2015 was focused on women and their abilities in a mental rotation task and an emotion recognition task. In this experiment they induced a feeling or a situation in which women feel more powerful or less powerful. They were able to conclude that women in a situation of power are better in a mental rotation task (but less performant in an emotion recognition task) than other women. Interestingly, the types of cognitive strategies that men and women typically employ may be a contributing factor. The literature has established that men generally prefer holistic strategies, whereas women prefer analytic verbal strategies and focus on specific parts of the whole puzzle. Women tended to act more conservatively as well, sacrificing time to double check the incorrect items more often than men. Consequently, women require more time to execute their technique when completing tasks like the MRT. In order to determine the extent of this variable's significance, Hirnstein et al. (2009) created a modified MRT in which the number of matching figures could vary between zero and four, which, compared to the original MRT, favored the strategy most often employed by women. The research found that gender differences declined somewhat, but men still outperformed women. Along the same lines, a 2021 study found intriguing results in an attempt to discern the mechanisms behind the established gender disparity. The researchers hypothesized that task characteristics, not only anatomical or social differences, could explain men's advantage in mental rotation. In particular, the objects to be rotated were changed from the typical geometric or spherical shapes to male or female stereotyped objects, such as a tractor and a stroller, respectively. The results revealed significant gender differences only when male stereotyped objects were used as rotational material. When female stereotyped rotational material was used, men and women performed equally. This finding may explain underlying causes behind the usual disparate outcomes, in that the male ability to do somewhat better on MRT tests probably stems from the evolutionary applicability of spatial reasoning. Objects that aren't relevant to historical male gender roles, and are consequently generally unfamiliar to men, are much more difficult for men to conceptualize spatially than more familiar shapes. Likewise, other recent studies suggest that difference between Mental rotation cognition task are a consequence of procedure and artificiality of the stimuli. A 2017 study leveraged photographs and three dimensional models, evaluating multiple approaches and stimuli. Results show that changing the stimuli can eliminate any male advantages found from the Vandenberg and Kuse test (1978). Studying differences between male and female brains can have interesting applications. For example, it could help in the understanding of the autism spectrum disorders. One of the theories concerning autism is the EMB (extreme male brain). This theory considers autistic people to have an "extreme male brain". In a study from 2015, researchers confirmed that there is a difference between male and female in mental rotation task (by studying people without autism): males are more successful. Then they highlighted the fact that autistic people do not have this "male performance" in a mental rotation task. They conclude their study by "autistic people do not have an extreme version of a male cognitive profile as proposed by the EMB theory". There may be relationships between competent bodily movement and the speed with which individuals can perform mental rotation. Researchers found children who trained with mental rotation tasks had improved strategy skills after practicing. People use many different strategies to complete tasks; psychologists will study participants who use specific cognitive skills to compare competency and reaction times. Others will continue to examine the differences in competency of mental rotation based on the objects being rotated. Participants' identification with the object could hinder or help their mental rotation abilities across gender and ages to support the earlier claim that males have faster reaction times. Psychologists will continue to test similarities between mental rotation and physical rotation, examining the difference in reaction times and relevance to environmental implications.