心理旋转首先由谢巴德和梅茨勒提出讨论.在他们的研究中,要求被试判断所呈现的两对三维立方体是否在形状上一致.结果发现反应时间随着两个立方体在图像平面内外的角度差异而线性增加.谢巴德和他的同事解释说,心理旋转是一种心理过程,在这种过程中,人们形成一个物体的心理表征(模拟物),然后将其旋转到垂直位置或预先学习的方向,以消除判断物体时的角度差异(例如,奇偶性判断,左右手判断).继谢巴德和梅茨勒的研究之后,通过应用各种刺激的改良任务,行为和神经研究都进一步探索了心理旋转的机制.这些刺激可以广泛地分类为外部对象(例如,字母、数字)、人类形状(例如,手部、其他身体部位)和复杂场景(例如,风景、场景).在目前的研究中,主要集中在两个字母形式的外部对象心理旋转.正常-镜像字母奇偶性判断任务是自库珀和谢巴德(1973)以来的经典实验范式,被用来研究心理旋转的认知机制.为了决定字母是否是镜像或正常,必须将其旋转到其垂直位置,换句话说,心理旋转对于奇偶判断是必要的.因此,较大的旋转字母需要较长的响应时间.然而,在奇偶性判断中,这种依赖于响应时间的函数表现出曲线趋势,这偏离了谢巴德和梅茨勒发现的经典线性函数.这种现象可能是由旋转和非旋转过程的混合引起的.也就是说,从垂直旋转的小刺激相比于比大旋转刺激需要较少比例的心理旋转,致使在小角度差异和垂直之间响应时间的无差异.以往的心理旋转研究主要集中在刺激角度的影响上,但很少有人指出正常刺激和镜像刺激的心理旋转(即刺激版本的影响)之间的不同机制.在我们的日常生活中,镜子的物体识别和旋转也是重要的,例如在驾驶和航空的条件下.心理旋转是衡量空间智能的重要标尺之一,也是当前空间认知领域中备受关注的重要课题.
目前,空间认知加工研究日益受到重视, 人们对空间能力的认识源于对机械能力和操作能力的研究. 美国神经心理学家Gordon根据大脑半球功能侧化理论提出"认知特征",指出个体在言语和视觉空间两大认知功能方面表现出相对优势特征,不同半球的信息加工模式也可能同人类作业绩效的差异有关.脑功能侧化理论也认为人的大脑存在两种不同性质的信息加工模式,不同的信息加工模式可以通过言语和空间这两大认知功能加以表征.Gordon等研究发现视觉空间能力或言语序惯性能力测验成绩是某些职业群体取得卓越成就的一个重要特征,如空间能力与医学生手术操作能力、飞行职业、建筑职业等密切相关.因此,某种特定的职业很可能要抽取或保留人们的某种认知特征,而这种特定的认知特征恰恰是反映出了某个特定任务与另外一种任务在作业绩效方面差异的一个主要因素.在航空航天领域,航空交通运输管理专业岗位对于保障飞行安全具有重要的影响,交通管制员必须对视屏中显示的信息特别是空间视觉信息的加工表现出很高的水平.空间认知能力是人类最基本的认知能力之一,尤其在一些特殊的职业中,空间视觉化作为空间认知能力的一个维度,在这些特殊职业的人员选拔中具有重要作用.心理旋转测试是空间视觉化的经典研究范式,可有效预测和评价人的空间视觉能力.
当人们在高海拔地区或其他低氧条件下生活和工作时,缺氧是不可避免的.与海平面相比,高海拔地区的人经常由于缺氧水平而出现一些认知缺陷.许多研究已经探讨了缺氧对人类认知功能的影响,如空间注意力和记忆、感知、语言,执行功能等.高空低氧是航空事业遇到的严重医学问题之一,尽管现代航空条件下缺氧的防护问题已经得到很好的解决,但高空缺氧所致航空事故仍时有发生,严重威胁飞行安全.研究显示,缺氧体验训练可提高空勤人员早期识别缺氧和正确处置缺氧危险情况的能力,故世界各国普遍重视和广泛开展缺氧体验训练.
先前的研究已经发现了一些有关低氧对心理旋转的证据.在一项研究中,Zhang等人发现在高海拔地区(2300~4400m)生活两年比海平面的人需要更长的心理旋转时间,这一效应与额前灰质的体积有关.而另一项研究在相当4500米模拟缺氧状态下(不到一个小时内)并没有观察到心理旋转障碍.在上述两项研究之间的不一致结果可能是由于暴露于缺氧的持续时间.影响缺氧和认知损害之间关系的另一个因素是任务难度.例如,Wang等人发现空间注意加工的低氧效应仅发生在高负载条件下,导致高原条件下加工能力耗尽,P3振幅较小.Bartholomew等人也发现缺氧暴露确实降低了高记忆负载读回任务能力.这些结果表明,由于缺氧,认知资源可能不足以处理困难任务中的信息.然而,先前关于心理旋转的研究没有具体说明心理旋转的应用范式和认知过程.因此,对心理旋转的低氧效应的具体神经机制尚不清楚.此外,许多研究发现,缺氧损害大脑区域,包括顶叶,这与心理旋转有关.因此,我们认为缺氧可能影响心理旋转过程.
因为在低氧环境中的人可能遭受生命和财产损失,低氧引起的空间能力障碍如果存在,这个问题也与航空和驾驶有关.由于空间能力在日常生活中起着重要的作用,因此未来研究有必要探讨低氧对这一能力的影响.
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