Mentally transformed representations in memory are linked to their originals

Onze geest is geen statische opslagplaats; het is een actieve werkruimte waar we informatie vasthouden en, cruciaal, waar we deze manipuleren. Stel je voor dat je een auto probeert te besturen terwijl je constant in een achteruitkijkspiegel kijkt. Om te weten waar een auto achter je zich over een paar seconden zal bevinden, moet je het beeld dat je in de spiegel ziet nemen en het mentaal naar de toekomst en de ruimte vooruit verschuiven. Dit vermogen om een stukje informatie dat in de geest wordt vastgehouden te pakken en het te draaien, te veranderen of bij te werken, is een fundamenteel onderdeel van hoe we een veranderende wereld navigeren. Wetenschappers noemen deze actieve werkruimte "werkgeheugen". Decennialang was een centrale vraag hoe dit systeem omgaat met de oorspronkelijke informatie zodra deze is veranderd. Als je een object mentaal roteert, gooit het brein dan het beginbeeld weg om plaats te maken voor het nieuwe, of houdt het de originele versie veilig op de achtergrond, misschien als back-up?

Een team van onderzoekers probeerde dit te beantwoorden door het brein in actie te observeren terwijl mensen een mentale rotatie-taak uitvoerden. Ze vroegen vrijwilligers om de hoek van een gestreept patroon te onthouden, dit patroon vervolgens mentaal een specifiek aantal graden te laten roteren, en tot slot een tweede, ander patroon te onthouden. Later gaf een signaal aan de deelnemers aan welk van deze twee items—de geroteerde versie of het nieuwe patroon—zou worden getest. Door gebruik te maken van een techniek die elektrische signalen van de hoofdhuid afleest, konden de onderzoekers zien welke specifieke patronen op elk gegeven moment nog in het werkgeheugen van het brein werden vastgehouden. Ze ontdekten iets verrassends: zelfs toen het oorspronkelijke patroon niet langer nodig was voor de taak, gooide het brein het niet weg. In plaats daarvan bleef het oorspronkelijke patroon zichtbaar in de signalen van het brein, maar alleen wanneer de geroteerde versie nog werd vastgehouden. De twee waren aan elkaar gekoppeld; als het brein het geroteerde beeld losliet, liet het ook het oorspronkelijke beeld los. Als het de geroteerde afbeelding vasthield, hield het ook de oorspronkelijke vast.

De studie begon met een eenvoudige premisse. Wanneer we een mentale transformatie uitvoeren, zoals het roteren van een vorm in onze geest, creëren we een nieuw mentaal beeld gebaseerd op een oud beeld. Vorig onderzoek suggereerde dat het oude beeld vaak in het brein blijft hangen, zelfs nadat het irrelevant is geworden voor de huidige taak. Dit was verwarrend omdat het werkgeheugen bekend staat als efficiënt; het doet er meestal alles aan om informatie direct weg te gooien zodra deze niet meer nuttig is, om zo ruimte te besparen voor wat ertoe doet. De onderzoekers wilden weten waarom het brein dit "nutteloze" oorspronkelijke beeld vasthield. Ze overwogen drie mogelijkheden. Ten eerste, misschien was het brein simpelweg nog niet klaar met het verwerken van het oorspronkelijke beeld, en was het slechts een naloop van de perceptie. Ten tweede, misschien vereiste de handeling van het roteren van het beeld zoveel diepe aandacht dat het oorspronkelijke beeld in het geheugen werd vergrendeld en niet kon worden verwijderd. Derde, misschien waren het originele en het geroteerde beeld samen verpakt in één pakket, zodat het vasthouden van de een betekende dat men ook de ander vasthield.

Om deze ideeën te testen, ontwierpen de onderzoekers een nauwkeurig experiment met veertig vrijwilligers. Elke persoon zat in een stille kamer en keek naar een scherm. Eerst zagen ze een cirkelvormig vlak met een gestreept patroon onder een specifieke hoek. Ze moesten deze hoek onthouden. Vervolgens verscheen een instructie die hen vertelde het patroon mentaal een bepaald aantal graden te laten roteren, bijvoorbeeld dertig of negentig graden. Het resultaat van deze mentale rotatie was het "rotatieproduct". De deelnemers kregen te horen dat deze nieuwe, geroteerde hoek nu het enige was dat telde; de oorspronkelijke hoek was niet langer nodig. Onmiddellijk daarna verscheen een tweede gestreept patroon, en zij moesten dit nieuwe patroon ook onthouden. Ten slotte verscheen een getal op het scherm. Als het getal één was, betekende dit dat het geroteerde patroon getest zou worden. Als het twee was, zou het tweede, ongeroteerde patroon getest worden. De deelnemers moesten vervolgens beoordelen of een testpatroon met de klok mee of tegen de klok in was geroteerd ten opzichte van het aangegeven item.

Tijdens de wachttijden tussen deze stappen gaven de onderzoekers een korte, neutrale visuele impuls op het scherm. Deze impuls fungeerde als een soort sonde, waardoor de onderzoekers een momentopname konden maken van wat er op dat moment actief was in het werkgeheugen. Door de elektrische activiteit die op deze flits volgde te analyseren, konden ze decoderen of het brein het oorspronkelijke patroon, het geroteerde patroon of het tweede patroon vasthield.

De resultaten waren duidelijk. Wanneer de deelnemers het geroteerde patroon in hun geest vasthielden, lieten de hersensignalen zien dat het oorspronkelijke patroon er nog steeds was, ook al was het niet langer nodig voor de taak. Dit gebeurde zelfs nadat ze een tweede, volledig ander patroon hadden onthouden. Deze bevinding weerlegde het idee dat het oorselijke beeld slechts een naloop van de perceptie was of dat het vastzat omdat het te diep was gecodeerd. Als het slechts een naloop van de perceptie was geweest, zou het vervaagd moeten zijn zodra het tweede patroon werd toegevoegd. Als het vastzat door diepe codering, zou het zelfs zichtbaar moeten blijven wanneer het geroteerde patroon werd weggegooid.

De sleutel tot het mysterie kwam toen de onderzoekers keken naar wat er gebeurde wanneer de deelnemers werden geïnstrueerd zich op het tweede patroon te concentreren in plaats van op het geroteerde patroon. Op die momenten verdwenen de hersensignalen voor het geroteerde patroon. Cruciaal was dat de signalen voor het oorspronkelijke patroon op exact hetzelfde moment verdwenen. De twee waren niet onafhankelijk; ze waren verbonden. Het brein hield het oorspronkelijke beeld niet vast als een aparte back-up. In plaats daarvan hield het het oorspronkelijke beeld vast omdat het het geroteerde beeld vasthield. Wanneer het geroteerde beeld niet langer nodig was, werd het oorspronkelijke beeld samen met dat beeld losgelaten.

De onderzoekers keken ook naar hoe goed de deelnemers presteerden. Ze ontdekten dat in proeven waarbij het brein een sterk signaal voor het geroteerde patroon vertoonde, de deelnemers nauwkeuriger waren. Echter, in proeven waarbij het brein een sterk signaal voor het oorspronkelijke patroon vertoonde, waren de deelnemers minder nauwkeurig. Dit suggereert dat de aanwezigheid van het oorspronkelijke beeld niet hielp bij de taak; het leek zelfs een lichte afleiding te zijn. Het brein hield het oorspronkelijke beeld vast, niet omdat het nuttig was voor het huidige doel, maar vanwege de manier waarop de mentale transformatie gestructureerd was. Het geroteerde beeld was gebouwd op het oorspronkelijke, en het brein behield hen als een verbonden paar.

Deze ontdekking verandert hoe we denken over de binnenwereld van de geest. Het suggereert dat wanneer we een nieuw mentaal beeld creëren door een oud beeld te transformeren, we het oude niet simpelweg vervangen door het nieuwe. In plaats daarvan blijft het nieuwe beeld verankerd aan zijn bron. Het brein lijkt de voorkeur te geven aan het verbonden houden van deze representaties, misschien om flexibiliteit te bieden. In een reële situatie, als een auto uit het zicht verdwijnt, kunnen we het toekomstige pad voorspellen op basis van de laatst bekende positie. Als de situatie plotseling verandert, kan het beschikbaar zijn van de oorspronkelijke informatie ons in staat stellen om de voorspelling snel opnieuw te berekenen zonder vanaf nul te beginnen. Hoewel deze studie aantoonde dat het vasthouden van het oorspronkelijke beeld geen voordeel bood in een eenvoudige, geïsoleerde taak, wijst het erop dat deze verbonden structuur een kenmerk kan zijn van hoe onze hersenen omgaan met dynamische, veranderende omgevingen. De geest slaat niet alleen feiten op; de geest bouwt een web van verbindingen waarbij nieuwe ideeën op hun plaats worden gehouden door de oude waaruit ze zijn voortgekomen.