一、心像旋轉作業的歷史
如同心理學研究般，心像的研究有長久的過去，但只有短暫的歷史。過去，
科學家們一直苦於找不到可以量化的方法測量心像的能力(Haberlandt, 1997)。1971 年，Roger Shepard 和他的同事利用心像旋轉的作業，使視覺心像能力變得可測 量，在心像研究上第一次成功地探究心像的過程(Shepard & Metzler, 1971; Haberlandt, 1997). 而 Shepard 的心像旋轉作業也被認為是證明”功能相等假設”的標準古典實 驗(Sternberg, 1999)。
心像旋轉(Mental rotation)被認為是一種想像物體在空間中旋轉的一種能力。然 而至目前為止，我們尚未對於心像的本質以及心像旋轉的內在運作方式有比較徹 底的瞭解(Kosslyn, 1994)。甚至在有了許多可以直接看到腦部活動的技術與儀器的
現代，我們依然沒有對更透徹的理解心像以及心像旋轉的現象。研究上發現，心 像的產生依賴著許多感官知覺系統的投入來產生心智表徵，目前已經有許多研究 針對不同的感覺表徵作詳細的研究，關於心像的研究大部分多集中在視覺心像 上，原因可能在於人們對於視覺想像的產生比其他知覺的想像來得容易察覺 (Sternberg, 1999)。而我們也依賴視覺心像幫助我們解決問題(Kosslyn, 1990)。
1971 年，Shepard 跟他的同事們，要求受試者比較方向不相同的物體時，是 否為相同的物體，也就是著名的心像旋轉作業(mental rotation task)，發現受試者的 反應時間跟兩物體之間展示的角度差呈現線性的增加(Cooper, 1975; Cooper &
Shepard, 1973, 1975; Shepard & Cooper, 1982; Shepard & Metzler, 1971). 這個結果指出了 人們具有想像物體轉換的能力，並且發現心像旋轉過程需要時間，而認為受試者 在心中轉換物體的過程，可能類似於物體在現實中轉換的方式(Wraga, Thompson, Alpert, & Kosslyn, 2003)。
二、關於心像旋轉作業上心像旋轉過程的理論及爭議
幾乎所有的心像旋轉作業研究都會發現兩個準則(criteria)：（一）正向的斜率 (positive slope criterion)，指的是反應時間與兩個圖形間呈現時彼此角度的差異是一 個正向的關係；（二）有限速率(limit rate criterion)，受試者表現出的心像旋轉速率 不能無限制的加速，大部分研究所得到的心像旋轉速率，大致上都差不多(D. J.
Cohen & Kubovy, 1993)。
根據Shepard 等人的研究，心像旋轉作業中的心智過程，大致分成四個階段，
（一）圖像進行編碼；（二）在腦海中旋轉影像（假設有旋轉的話），或計算影像 的轉換；（三）比對眼前的影像與腦海中轉換後的影像；（四）將比對的結果做出 反應(Cooper, 1975)。研究者們特別關心是影像在腦海中旋轉時那個階段的心智過
程。Shepard 及 Copper 等人依據他們的實驗結果，認為心像旋轉的過程，影像是 整體(holistic)被運作的，像是物理界的實體般旋轉，旋轉角度越大，所需的旋轉時 間越多(Cooper, 1975)。
在心像旋轉的研究上，人們如何完成心像旋轉作業的理論，如同心像如何表 徵一般，不同的研究者也有著不同的看法。Shepard 等人主張心像旋轉的過程，
是一個整體運作的(holistic)過程，像是個自然界實體的類比(analog) (Cooper, 1975;
Cooper & Shepard, 1973a, 1973b; Shepard & Cooper, 1982; Shepard & Metzler, 1971)。在心 像旋轉階段，受試者的反應時間，只與欲判斷的圖形之間的角度呈現線性關係，
而不會受到圖形複雜度的影響。
相對於Shepard 及 Cooper 等人認為心像旋轉類似於實體在物理世界旋轉這樣 的觀點─心像旋轉的類比理論(analog theory)， Pylyshyn (1981)認為影像處理根本是 一個奠基於抽象思考過程上的物理事件模擬，也就是這個心智過程是一個模擬物 節點(nodes)與連結(links)來代表(Palmer, 1975; Pylyshyn, 1973, 1981, 2003)。也就是 Pylyshyn 認為影像是以特徵與特徵之間的關係來表徵的，影像的部件之間的關係 可由少數參考點來計算，因此當心像旋轉時，則若圖形比較複雜時，參考點與各 部件之間的關係比較多，必須分割處理，這樣的運算困難度增加造成反應時間增
加，當然角度增加反應時間亦增加。也就是說圖形越複雜的時候，反應時間隨著 角度增加的「斜率」會增加(Pylyshyn, 1981)。
甚至有研究者指出，心像旋轉中的視覺心像的過程根本不需要(Marnor &
Zaback, 1976)。在腦海中的影像表徵不可能類似於實體旋轉般有個影像存在並運 作，而是一個抽象的概念與命題運算，結合其他概念運算後的結果(Pylyshyn, 2003)。
目前對於檢驗這兩種理論的實驗，多半是操弄著圖形的複雜度，探討心像旋 轉階段時受試者的反應時間變化。在兩相對陣營的研究者的實驗中，目前的結果 並不一致(Cooper, 1975; Cooper & Podgorny, 1976; Pylyshyn, 1981)。但大部分在心像旋 轉作業中，傾向多元編碼的研究者，試圖使用不同的圖形重複這個作業，多半有 一致性的發現─角度差與反應時間之間的線性關係(Jolicoeur, 1985; Jolicoeur et al., 1987; Jordan & Huntsman, 1990; Just & Carpenter, 1985)。但圖形的差異對受試者的影響 效應略有不同，像是熟悉的圖形反應時間比較快，有練習效果(Jolicoeur et al., 1987)，但這練習效果無法遷移至新的圖形上(Jolicoeur, 1985)。
三、心像旋轉的性別差異以及困難
在空間認知能力上已被證明具有明顯的性別差異，具有男性優勢的心理作業 包括3D 圖形的心像旋轉、空間視覺化、空間知覺、迷途導航以及追蹤攔截物體 等多像空間相關的能力(Kimura, 1999; Rahman, Abrahams, & Jussab, 2005; Rahman &
Wilson, 2003; Voyer & Saunders, 2004; Voyer, Voyer, & Bryden, 1995)。在許多空間相關心 理作業中，心像旋轉作業的性別差異是最大的(Kimura, 1999; Linn & Petersen, 1985)。
在不同的心像旋轉測驗中，大部分研究都會發現男女生的表現有差異，目前差異 的起源還不清楚，但推測可能與大腦皮質的側化差異以及睪固酮組織活化的影響
有關(Collaer & Hines, 1995; Hines, 2004)。 在男女生上的差異(Dietrich et al., 2001; Jordan, Wustenberg, Heinze, Peters, & Jancke, 2002; Tagaris et al., 1996; Weiss et al., 2003)。這樣的結果可能暗示著男女生在心像旋 轉作業上的策略以及心智過程細節略有不同。因此，在研究有關心像旋轉作業 上，必須考慮男女生的差異，不宜將兩者的資料混在一起分析。
四、心像旋轉在認知神經科學上的發現
在認知神經科學的研究上，多半發現空間相關的任務在右半大腦半球上活化 情況大於左半球(Banich & Heller, 1998; Roberts & Bell, 2003)，特別是在頂葉的區域 (parietal area)。在幾乎所有的空間任務中，受試者右頂葉區域活化情況遠大於左頂 葉區域。研究發現許多區域參與心像旋轉作業中的心智活動(Wexler, Kosslyn, &
Berthoz, 1998)，除了頂葉區域外，還有聯合視覺(associative visual)、初級視覺(primary visual)、前運動(premotor)、額葉(frontal)、身體運動區(somatomotor area)、以及基底 核(basal ganglia)(Ark, 2002; Weiss et al., 2003)。Kosslyn 等人則發現無論是使用不同的 實驗方法及大腦造影技術都有一致的結果，運動皮質區在心像旋轉作業中參與運 作(Barnes et al., 2000; M. S. Cohen et al., 1996; Kosslyn et al., 1998; Richter et al., 2000)。
不同的活化區域在心像旋轉作業中，可能代表著不同細節的心智運作，像是 前運動區就被認為可能與動作的準備有關(Weiss et al., 2003)；枕葉區域則被認為與 影像處理有關，枕葉顳葉通道(occipitotemporal pathway)與物體辨識有關，枕葉頂葉 通道(occipitoparietal pathway)則與空間安排的判斷有關；前額葉區的活化可能與視 覺空間工作記憶有關，特別是中額葉迴(middle frontal gyrus)被相信是儲存視覺空間 工作記憶的區域；右頂葉區則與空間轉換有強烈的關係(Yoshino et al., 2000)；部分 研究發現左前頂葉區的活化(Alivisatos & Petrides, 1997)，但這樣的發現被認為可能 是使用了字母作為刺激材料的關係。 及二級記憶(Waugh & Norman, 1965)。有的研究者則分成三個部分，感覺儲存(sensory stores)、短期儲存(a short-term store)以及長期儲存(a long-term store)(Atkinson & Shiffrin, 1968)。這樣的記憶系統結構認為環境訊息由感覺儲存接收，有不同的形式，而感 覺儲存持有訊息的時間非常短暫，有些訊息被注意到後，進一步被短期儲存所處 理，而在短期儲存的一些訊息最後會進入長期儲存(Eysenck & Keane, 2000)。這記 憶系統的觀點似乎暗示著短期記憶在感覺儲存與長期記憶之間扮演出入口的角 色，所有進入長期記憶的訊息必須先經過短期記憶的處理，但我們往往發現在處
理短期記憶的訊息前，必須先與長期記憶連結(Logie, 1999)。短期記憶除了負責資 訊處理的規則外，還控制著進入長期記憶的資訊。
1974 年 Baddeley 及 Hitch 提出了工作記憶這樣的概念來取代短期儲存的看 法。而這工作記憶系統主要具有三個組成成分：(1)視覺空間拍紙板(a visualspatial scratch) ，主要在維持著視覺影像；(2)構音迴路(a phonological loop)，在語言理解上 保留內在的言語(inner speech)，聽覺訊息可以維持約兩秒鐘；(3)中央執行單位(a central executive)，將注意力的活動與反應的管理結合；除了以上三個成分外，或 許還包括了一些次要的子系統(salve system)表現其他的認知或知覺任務。工作記 憶的主要組成成分是中央執行單位，其容量有限，負責處理任何被要求的認知作 業，視覺空間拍紙板與語音迴路則是中央執行單位的子系統，複雜執行中央系統 指定的特殊認知作業，例如視覺空間拍紙板儲存和操弄空間及視覺訊息，而語音 迴路則保留著單字被呈現的順序(Eysenck & Keane, 2000; Sternberg, 1999)。
利用雙作業的實驗可以很容易地將視覺空間拍紙板與語音迴路分開，但至今 對於視覺儲存特性的細節還在探索當中(Wesenick, 2003)。Philips(1974)利用在 4x4、
6x6 及 8x8 的矩陣構成的黑白方塊圖區分出視覺空間短期記憶與感覺儲存(sensory
改變很容易被發現。然而當前後出現的兩圖形中間有一個明顯的中斷或分心甚至 只是個眨眼，則這個改變很難被受試者察覺。此外實驗還發現人們在眼球運動過 程、眨眼或者電影剪接…等這些的干擾情況下，不只是無法偵測一個物體或特徵 的改變，甚至無法看到視覺影像(visual scenes)上的大幅度變化，顯示著人類能從 環境中有意識地接收到的視覺訊息非常有限(Rensink, 2000; Rensink, O'Regan, &
Clark, 1997)。
人們一次到底可以儲存多少資訊量直到1997 年 Luck 和 Vogel 的研究才引起學 界廣泛的注意，這兩個的研究引發了另一個重要的議題：儲存在視覺空間工作記 憶中的資訊的形式是什麼(Luck & Vogel, 1997; Wesenick, 2003)，儲存在視覺空間短期 記憶中的資訊是數個特徵還是一個整合的物件。「能儲存多少資訊」與「資訊儲 存的形式」兩問題是什麼相關。在能儲存多少資訊上，Luck 和 Vogel(1997)的研究 發現視覺短期記憶無論是尺寸、顏色或方向…等特徵如何組成一個物件上，受試
人們一次到底可以儲存多少資訊量直到1997 年 Luck 和 Vogel 的研究才引起學 界廣泛的注意，這兩個的研究引發了另一個重要的議題：儲存在視覺空間工作記 憶中的資訊的形式是什麼(Luck & Vogel, 1997; Wesenick, 2003)，儲存在視覺空間短期 記憶中的資訊是數個特徵還是一個整合的物件。「能儲存多少資訊」與「資訊儲 存的形式」兩問題是什麼相關。在能儲存多少資訊上，Luck 和 Vogel(1997)的研究 發現視覺短期記憶無論是尺寸、顏色或方向…等特徵如何組成一個物件上，受試