How Are Mental Rotation Ability and Postural Stability Related?

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-542139
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.54213

Hofmann, Philipp

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Date of publication of this fulltext: 12 May 2023 10:45

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	12 May 2023
Referee:	Prof. Dr. Petra Jansen
Date of exam:	11 May 2023
Additional Information (public):	Referenzen: Budde, K., Jöllenbeck, T., Barela, J. A., Figueiredo, G. A., & Weigelt, M. (2021). Mental body rotation with egocentric and object-based transformations in different postures: standing vs. balancing. Brazilian Journal of Motor Behavior, 15(3), 180–194. https://doi.org/10.20338/bjmb.v15i3.250 Burcal, C. J., Drabik, E. C., & Wikstrom, E. A. (2014). The effect of instructions on postural–suprapostural interactions in three working memory tasks. Gait & Posture, 40(2), 310–314. https://doi.org/10.1016/j.gaitpost.2014.04.203 Dault, M. C., Frank, J. S., & Allard, F. (2001). Influence of a visuo-spatial, verbal and central executive working memory task on postural control. Gait & Posture, 14(2), 110–116. https://doi.org/10.1016/S0966-6362(01)00113-8 Kawasaki, T., Yasuda, K., Fukuhara, K., & Higuchi, T. (2014). Relationship between Mental Rotation of Body Parts and Postural Stability during Quiet Stance. Journal of Imagery Research in Sport and Physical Activity, 9(1). https://doi.org/10.1515/jirspa-2014-0001 Pietsch, S., & Jansen, P. (2012). Different mental rotation performance in students of music, sport and education. Learning and Individual Differences, 22(1), 159–163. https://doi.org/10.1016/j.lindif.2011.11.012 Shumway-Cook, A., & Woollacott, M. (2007). Motor control: translating research into clinical practice. Lippincott Williams & Wilkins. Voyer, D., & Jansen, P. (2017). Motor expertise and performance in spatial tasks: A meta-analysis. Human Movement Science, 54, 110–124. https://doi.org/10.1016/j.humov.2017.04.004 Wexler, M., Kosslyn, S. M., & Berthoz, A. (1998). Motor processes in mental rotation. Cognition, 68(1), 77–94. https://doi.org/10.1016/S0010-0277(98)00032-8 Wohlschläger, A [Andreas], & Wohlschläger, A [Astrid] (1998). Mental and manual rotation. Journal of Experimental Psychology. Human Perception and Performance, 24(2), 397–412. https://doi.org/10.1037/0096-1523.24.2.397
Institutions:	Human Sciences > Institut für Sportwissenschaft
Keywords:	Mentale Rotation; Posturale Stabilität; Dual-Task; Embodiment; Arbeitsgedächtnis
Dewey Decimal Classification:	100 Philosophy & psychology > 150 Psychology 700 Arts & recreation > 796 Athletic & outdoor sports & games
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	54213

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Abstract (German)

Abstract (German)

This thesis explores the relationship between the cognitive skill of mental rotation and the physical ability of postural stability, considering the long-standing knowledge that cognitive and motor tasks can impact one another (Shumway-Cook & Woollacott, 2007). The capacity to mentally rotate objects is known as mental rotation ability. Research in this area has shown that mental and motor rotations share common processes (Wohlschläger & Wohlschläger, 1998) and that mental rotation is considered a covert motor rotation (Wexler et al., 1998). Relationships to complex sports activity (Pietsch & Jansen, 2012; Voyer & Jansen, 2017) and basic motor abilities, like postural stability (Budde et al., 2021; Burcal et al., 2014; Dault et al., 2001; Kawasaki et al., 2014), were discovered throughout time. To better understand the relationship between mental rotation and postural stability, this thesis investigated several possible explanatory factors.
Study 1 examined the effects of simultaneous mental rotation on upright bipedal stance in different standard mental rotation tests, egocentric vs. object-based, with different stimulus material, embodied vs. non-embodied. The simultaneous solution of mental rotation tasks led to postural stabilization compared to a neutral condition. Egocentric mental rotation tasks provoked more postural stability than object-based tasks with cube figures. Furthermore, a more stable stance was observed for embodied stimuli than for non-embodied stimuli. An explorative approach showed the tendency that higher rotation angles in object-based mental rotation task stimuli led to more postural sway.
Study 2 focused on embodied stimulus material to clarify its role in the relationship between mental rotation and postural stability. It was investigated whether the function of the stimulus in postural control influences the amount of the embodiment effect. Therefore, two separate experiments examined the interference of egocentric and object-based mental rotation tasks, with embodied stimuli (foot, hand, whole body), with postural stability. Both experiments showed stabilization of body sway during the mental rotation tasks compared to a neutral control condition and an increased body sway with an increasing angle in the mental rotation tasks. While egocentric mental rotation tasks showed that mental rotation of hand and foot stimuli tended to elicit more body sway than whole-body stimuli, no difference between stimuli could be shown in object-based mental rotation tasks. In addition, reaction time in mental rotation tasks was a good indicator of postural stability in both experiments.
Study 3 attempted to generalize the relationship between mental rotation and postural stability and thereby discover the role of working memory in this relation. In contrast to the clear relationships from the two interference studies, study 1 and study 2, only a descriptively weak, if any, correlation was found between the two tasks. The role of working memory in this correlation is also negligible. Neither component of the visuospatial sketchpad of working memory showed a relationship to postural stability.
The results of this thesis contribute to a better understanding of the interaction between mental rotation and basic motor processes, like postural stability. While working memory does not seem to play a major role in this relationship, the role of embodiment is emphasized, even though study 2 showed no consistent effect of human body part stimuli.

Translation of the abstract (German)

In dieser Arbeit wird die Beziehung zwischen der kognitiven Fähigkeit der mentalen Rotation und der körperlichen Fähigkeit der Haltungsstabilität untersucht. Dabei wird die seit langem bestehende Erkenntnis berücksichtigt, dass sich kognitive und motorische Aufgaben gegenseitig beeinflussen können (Shumway-Cook & Woollacott, 2007). Die Fähigkeit, Objekte mental zu drehen, wird als mentale Rotationsfähigkeit bezeichnet. Die Forschung in diesem Bereich hat gezeigt, dass mentale und motorische Rotationen gemeinsame Prozesse aufweisen (Wohlschläger & Wohlschläger, 1998) und dass die mentale Rotation als eine verdeckte motorische Rotation angesehen wird (Wexler et al., 1998). Im Laufe der Zeit wurden Zusammenhänge mit komplexen sportlichen Aktivitäten (Pietsch & Jansen, 2012; Voyer & Jansen, 2017) und grundlegenden motorischen Fähigkeiten wie Haltungsstabilität (Budde et al., 2021; Burcal et al., 2014; Dault et al., 2001; Kawasaki et al., 2014) entdeckt. Um den Zusammenhang zwischen mentaler Rotation und Haltungsstabilität besser zu verstehen, wurden in dieser Arbeit mehrere mögliche Erklärungsfaktoren untersucht.
Studie 1 untersuchte die Auswirkungen der gleichzeitigen mentalen Rotation auf den aufrechten, zweibeinigen Stand in verschiedenen mentalen Standardrotationstests (egozentrisch vs. objektbasiert) mit unterschiedlichem Stimulusmaterial (verkörpert vs. nicht verkörpert). Die gleichzeitige Lösung von mentalen Rotationsaufgaben führte zu einer Haltungsstabilisierung im Vergleich zu einer neutralen Bedingung. Egozentrische mentale Rotationsaufgaben führten zu mehr Haltungsstabilität als objektbasierte Aufgaben mit Würfelfiguren. Außerdem wurde bei verkörperten Stimuli eine stabilere Haltung beobachtet als bei nicht verkörperten Stimuli. Ein explorativer Ansatz zeigte die Tendenz, dass höhere Rotationswinkel bei objektbasierten mentalen Rotationsaufgaben zu einem stärkeren Schwanken der Körperhaltung führten.
Studie 2 konzentrierte sich auf verkörpertes Stimulusmaterial, um dessen Rolle in der Beziehung zwischen mentaler Rotation und posturaler Stabilität zu klären. Es wurde untersucht, ob die Funktion des Stimulus bei der Haltungskontrolle das Ausmaß des Embodiment-Effekts beeinflusst. Dazu wurde in zwei separaten Experimenten die Interferenz von egozentrischen und objektbasierten mentalen Rotationsaufgaben mit verkörperten Stimuli (Fuß, Hand, Ganzkörper) mit der posturalen Stabilität untersucht. In beiden Experimenten zeigte sich eine Stabilisierung des Körperschwankens während der mentalen Rotationsaufgaben im Vergleich zu einer neutralen Kontrollbedingung und eine Zunahme des Körperschwankens mit zunehmendem Winkel bei den mentalen Rotationsaufgaben. Während egozentrische mentale Rotationsaufgaben zeigten, dass die mentale Rotation von Hand- und Fußreizen tendenziell ein stärkeres Körperschwanken auslöste als Ganzkörperreize, konnte bei objektbasierten mentalen Rotationsaufgaben kein Unterschied zwischen den Reizen nachgewiesen werden. Darüber hinaus war die Reaktionszeit bei mentalen Rotationsaufgaben in beiden Experimenten ein guter Indikator für die Haltungsstabilität.
In Studie 3 wurde versucht, die Beziehung zwischen mentaler Rotation und Haltungsstabilität zu verallgemeinern und dabei die Rolle des Arbeitsgedächtnisses in dieser Beziehung zu ermitteln. Im Gegensatz zu den eindeutigen Beziehungen aus den beiden Interferenzstudien, Studie 1 und Studie 2, wurde zwischen den beiden Aufgaben, wenn überhaupt, nur eine deskriptiv schwache Korrelation gefunden. Die Rolle des Arbeitsgedächtnisses bei dieser Korrelation ist ebenfalls vernachlässigbar. Keine der beiden Komponenten des visuell-räumlichen Skizzenblocks des Arbeitsgedächtnisses zeigte eine Beziehung zur Haltungsstabilität.
Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der Interaktion zwischen mentaler Rotation und grundlegenden motorischen Prozessen, wie der Haltungsstabilität, bei. Während das Arbeitsgedächtnis in dieser Beziehung keine große Rolle zu spielen scheint, wird die Rolle der Verkörperung hervorgehoben, auch wenn Studie 2 keinen konsistenten Effekt von menschlichen Körperteilstimuli zeigte.

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