心的回転

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笹岡 貴史乾 敏郎
京都大学 情報学研究科
DOI:10.14931/bsd.1058 原稿受付日:2012年4月24日 原稿完成日:2012年5月6日
担当編集委員:入來 篤史(独立行政法人理化学研究所 脳科学総合研究センター)

英語名:mental rotation 独:mentale Rotation 仏:rotation mentale

 心的回転(メンタルローテーション)とは心の中に思い浮かべたイメージ(心的イメージ)を回転変換する認知的機能のことである。

図1.ShepardとMetzlerの実験
よくわかる認知科学(乾、吉川、川口編、2011、ミネルヴァ書房)pp.61より転載許可を得て引用

ShepardとMetzlerの実験

 1971年、ShepardとMetzlerは実験協力者に立方体のブロックを3次元的に結合させて作成した物体のペア(図1左)を見せ、それらが同じ物体であるか判断させる課題を行わせた[1]。ここで、二つの物体が同じ物体の場合は一方をある角度回転させると他方の物体と一致するが、二つの物体が互いに鏡像になっているペアの場合もある(図1左下)。ShepardとMetzlerはこの回転角度を様々に変化させて、二つの物体が同じ物体かどうか実験協力者が判断するまでの反応時間を測定した。その結果、二つの物体の回転角度の差が大きくなればなるほど反応時間が線形に増加した(図1右)。このような線形な反応時間の増加は、画像平面上の回転(図1右上)でも、垂直軸周りの回転(図1右下)でも同じように見られた。この結果から彼らは、実験協力者の心の中で作られた物体のイメージに物理的世界における回転と相似した回転(「心的回転」)が加えられたと考えた。心的回転は1970年代に起こった「イメージ論争」において、心的イメージが命題的なものではなく、絵画的なものであるという主張を支持する根拠とされた。

 ShepardとMetzlerの研究以降、ランダムな2次元図形[2]、英数字[3]を刺激とした正像・鏡映像の識別課題や、様々な方位で呈示された手が左手か右手かを判断する課題[4]でも正立姿勢からの回転角度に対して反応時間が線形に増加することが分かっている。

 しかし、例えば正立像とは異なる方位の英数字を見せ、その英数字が何であるか同定させるような場合は正立像との回転角度差に対して反応時間が増加しない[5]ことから、英数字のような比較的単純なパターンの同定は正立像からの回転に対しては不変に行われると考えられる。また、高野[6]は回転角度に伴う反応時間の増加が見られる条件と反応時間が増加しない条件について検討を行い、刺激ペアが方位によらず識別可能な特徴で見分けられる場合は心的回転が行われないという「情報タイプ理論」を提案している。

 また、心的回転において刺激全体のイメージが回転されているのではなく、単に刺激の一部を比較しているのに過ぎないとする批判もある(例えば、[7][8])。JustとCarpenterは心的回転中の実験協力者の眼球運動を調べた。その結果、刺激ペアの回転角度差が大きくなるにつれて二つの刺激図形の対応する場所を比較する眼球運動が増えたことから、方位差によって刺激図形の間の対応点を同定する困難さが増したことが反応時間の増加に繋がったとしている。

身体運動と心的回転の相互作用

 心的回転の実行に身体性が寄与をしていることが行動実験によって示唆されている。例えば、Shepard-Metzlerタイプの刺激の一部に人間の頭部が描かれることによって、心的回転の反応時間が短縮されることが報告されている[9]。また、手や足のような身体部位の心的回転課題の場合は、その身体部位の生体力学的な制約が影響することが示されている[10][11]。例えば、手の心的回転課題の場合は、手を実際にその姿勢にすることが難しい場合に、その手が右手か左手かを判断するまでの反応時間が長くなる。また、心的回転と手の回転の相互作用も実験的に示されている[12][13]。Wexlerらは正方形を組み合わせて作成した2次元ブロックパターンを画像平面上で心的回転する課題と同時に、ジョイスティックを手で定められた速度で回転する課題を実験協力者に行わせ、ジョイスティックを回転させる方向とブロックパターンを心的回転する方向が一致したときに反応時間が有意に短くなったことを報告している。

心的回転の脳内基盤

心的回転における頭頂葉の関与

 1990年代に入り、脳機能イメージング技術の発達により、心的回転課題中の脳活動の計測を行った研究が数多く報告されるようになった。例えば、Cohenら[14]はShepard-Metzlerタイプの刺激を使った心的回転課題を行っている実験協力者の脳活動をfMRIによって計測し、両側の後部頭頂葉運動前野前頭前野などに活動が見られたことを報告している。この中で、特に後部頭頂葉の活動は心的回転課題の反応時間や回転量との間に相関を持つことが多くの研究で報告されている(例えば[15][16])ことから、後部頭頂葉は心的回転の実行に関わっていると考えられる。

心的回転における運動関連領野の関与

 頭頂葉以外に多くの研究で報告されているのが運動関連領野の活動である。Kosslynら[17]はShepard-Metzlerタイプの刺激を使った心的回転課題を行っている実験協力者の脳活動をfMRIによって測定した。実験に先立って、実験協力者は2つのグループに分けられた。1つのグループはShepard-Metzlerタイプの刺激の模型を右手を用いて回転させることで刺激に対するトレーニングを行った。もう1つのグループはモーターによって回転する刺激を観察することでトレーニングを行った。2つのグループの心的回転課題中の脳活動を比較すると、手を用いて刺激に慣れたグループで、左半球一次運動野に活動が見られた。

 Wragaら[18]は手の心的回転課題を行った後に、Shepard-Metzlerタイプの刺激を使った心的回転課題を行った実験協力者群と、Shepard-Metzlerタイプの刺激を使った心的回転課題を繰り返して行った実験協力者群の脳活動をfMRIによって測定した。その結果、前者の実験協力者群でShepard-Metzlerタイプの刺激を使った心的回転課題中に、一次運動野および運動前野の活動が見られた。

 また、経頭蓋磁気刺激(TMS)を左運動野に与えることによって、手の心的回転課題が阻害されることが報告されている[19]。 Zacks[20]は従来の研究で報告されている心的回転課題における運動関連領野の活動について、心的回転において効果器中心の参照枠の更新が必要な条件で運動関連領野が活動するという仮説を提案している。

 このように、運動関連領野は何らかの形で心的回転に寄与していることが推測されるが、心的回転課題ではキー押しによって反応を行わせることが多く、運動関連領野の活動は心的回転自体に関連した活動ではなく、反応に関連した活動である可能性があることには注意する必要がある。また、一般的な心的回転課題では回転の実行と、回転した結果を比較照合するプロセスは分離困難である。心的回転の実行に関わる脳内基盤を明らかにするためには回転の実行のみを分離可能な課題を考える必要がある。

参考文献

  1. R N Shepard, J Metzler

    Mental rotation of three-dimensional objects.
    Science: 1971, 171(3972);701-3 [PubMed:5540314] [WorldCat.org]

  2. L A Cooper
    Mental rotation of random two-dimensional shapes.
    Cognitive psychology:1975, 7(1), 20-43
  3. L A Cooper, R N Shepard
    The time required to prepare for a rotated stimulus.
    Mem Cognit:1973, 3, 246-250
  4. L A Cooper, R N Shepard

    Mental transformations in the identification of left and right hands.
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  6. 高野陽太郎
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  7. M A Just, P A Carpenter
    Eye fixations and cognitive processes.
    Cognitive psychology:1976, 8(4), 441-480
  8. Z W Pylyshyn

    The rate of "mental rotation" of images: a test of a holistic analogue hypothesis.
    Mem Cognit: 1979, 7(1);19-28 [PubMed:431403] [WorldCat.org]

  9. Y Sayeki
    “Body analogy” and the cognition of rotated figures.
    Quarterly Newsletter of the Laboratory of Comparative Human Cognition:1981, 3, 36-40
  10. K Sekiyama

    Kinesthetic aspects of mental representations in the identification of left and right hands.
    Percept Psychophys: 1982, 32(2);89-95 [PubMed:7145594] [WorldCat.org]

  11. L M Parsons

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  14. M S Cohen, S M Kosslyn, H C Breiter, G J DiGirolamo, W L Thompson, A K Anderson, S Y Brookheimer, B R Rosen, J W Belliveau

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