Predictable Sequential Structure Augments Auditory Sensitivity: A Breakthrough in Audiology Research

为探究预期对听力阈值的影响及改进听力评估方法，研究人员开展相关研究，发现可预测结构能增强听觉敏感性，影响传统评估。

　　在日常生活中，我们常常能轻松捕捉到各种声音，可你是否想过，大脑在这个过程中究竟扮演着怎样的角色？以往，人们普遍认为听力的好坏主要取决于中耳、内耳的精密结构以及信号向听神经的传递。然而，越来越多的研究表明，大脑的一些高级功能，如注意力和预期，也在其中发挥着重要作用。在传统的听力测试中，经典的纯音测听（PTA）被广泛用于评估听力阈值，人们一直以为它反映的仅仅是从外周感觉器官到高级脑区的自下而上的感觉转导通路。但事实上，当前的测听协议中包含了一些预测性结构，这暗示着感觉处理机制远比我们想象的复杂。

与此同时，神经科学领域的研究不断深入，逐渐揭示出感觉处理并非简单的自下而上的信号转导。感知其实是一个主动的过程，它将自下而上的输入与基于先前感觉经验的上下文知识所产生的自上而下的预测相结合。那么，这种预测是否会影响最基本的纯音检测功能呢？此前的研究虽然涉及到注意力对听力的影响，但大多集中在嘈杂环境下或跨模态效应方面，对于在安静环境中预期对信号检测的作用，以及在阈值评估中内容预测（如音高）和时间预测的相互作用，我们知之甚少。而且，现有的听力测试在设计上存在一些缺陷，常常忽视了感知的预测性本质。正是在这样的背景下，来自巴黎西岱大学（Université Paris Cité）、巴斯德研究所（Institut Pasteur）等机构的研究人员 Nadege Marin、Gregory Gérenton、Hadrien Jean 等开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《iScience》杂志上。

为了深入探究这些问题，研究人员采用了一系列先进的技术方法。在实验设计方面，他们利用基于贝叶斯机器学习的自动检测阈值技术，这种技术能够实现更灵活的范式，在时间和频率上进行完全随机化的结构设计。研究人员招募了 31 名年龄在 18 - 45 岁之间、自报听力正常的参与者，让他们完成多个听力测试任务。在实验过程中，研究人员精心设计了不同的范式，包括完全随机范式（Randomized paradigm）和具有预测性的三择一强制选择（3 - Alternative Forced Choice，3 - AFC）范式等，通过对比这些范式下的测试结果，来分析预测结构对听力阈值的影响。同时，他们还运用了统计分析方法，如双因素重复测量方差分析、配对 t 检验、逻辑回归等，对实验数据进行深入剖析。

下面我们来具体看看研究结果。

• 实验 1：可预测性使听力敏感度提高 7dB：研究人员首先对比了完全随机范式和 3 - AFC 范式下的听力图。结果显示，在 125 - 8000Hz 的测试频率范围内，两种范式的强度存在显著差异。从随机范式的阈值中提取与 3 - AFC 范式相同测试频率的离散阈值值并进行比较，发现 3 - AFC 范式的平均改善为 6.4dB HL。当计算纯音平均（PTA，在 500Hz、1000Hz、2000Hz 和 4000Hz 频率上的平均阈值）时，从随机方法到 3 - AFC 范式的阈值平均改善为 7.19dB HL。这表明可预测性能够显著提高听力敏感度。
• 实验 2：时间和频率上的预测结构在不同时间尺度上提高敏感度：研究人员进一步使用快节奏和慢节奏范式，测试预测性顺序结构在听力敏感度差异中的作用。他们计算了基于所有随机条件的全局阈值，以此为基线来比较不同条件下的阈值。通过单因素方差分析发现，即使在尽可能减少线索的情况下，改变实验范式本身就能为参与者提供更多有助于检测音调的信息。同时，对于快节奏和慢节奏范式，可预测性都对纯音检测（PTD）敏感度有显著影响。在慢节奏范式中，频率和时间的可预测性增益可能是独立的；而在快节奏范式中，频率和时间的可预测性增益存在冗余，暗示两者可能存在共享的潜在机制。此外，聚类分析表明，参与者的表现更倾向于根据范式的时间尺度进行分组，而不是根据预测的类型，这说明不同的时间尺度会导致预测结构支持表现的机制不同。
• 预测增益主要由敏感度驱动，而非决策偏差：在实验中，研究人员还考虑了决策偏差对实验结果的影响。他们在实验中设置了 catch trials（即不呈现音调的试验），通过分析这些试验的结果来判断决策偏差是否会影响实验结论。结果发现，虽然在慢节奏实验中，时间预测会使虚报率增加，但频率可预测性并不会导致虚报率上升；在快节奏实验中，随着可预测性的增加，虚报率反而下降（尽管不显著）。通过将个体参与者的虚报率与预测阈值增益进行相关性分析，发现只有在慢节奏范式中，当时间和频率都可预测时，虚报率与阈值检测之间存在显著相关性，而在其他条件下并无显著相关性。这表明预测增益主要是由敏感度的提高引起的，而非决策偏差。
• 个体差异对实验 1 和 2 的影响：研究人员还探究了个体差异，如音乐专业知识和年龄，对参与者提取预测信息能力的影响。结果发现，在实验 1 中，年龄和音乐素养（通过 GMSI 的综合复杂程度得分衡量）对两种听力测试范式（随机和 3 - AFC）之间的阈值差异没有显著影响。在实验 2 中，年龄在快节奏任务的随机和时间预测条件下对阈值距离有影响，但在频率和频率加时间预测条件下无显著影响；而音乐素养在所有条件下对阈值距离均无显著影响。

综合以上研究结果，研究人员得出结论：人类大脑能够利用预测信息增强纯音听觉敏感性，即使在检测阈值水平也是如此。这种现象可能是通过自上而下的调制实现的，其机制可能涉及中央感觉反应的直接调制或通过下行通路（如 MOC 系统）的间接调制。该研究结果对听力学和神经科学领域具有重要意义，它挑战了传统观点，即纯音听力图仅反映耳蜗健康状况。实际上，纯音测听测量结果可能混淆了自下而上的感觉反应和自上而下的预测调制的影响。此外，研究还发现信号检测在与典型听觉刺激（如语音和音乐）时间相似的序列中改善最为明显，并且不同时间尺度下时间预测和频率预测对听力的影响存在差异。

然而，这项研究也存在一些局限性。例如，实验中的音调是双耳呈现的，这与临床测听中常用的单耳刺激有所不同；而且参与者均为年轻健康的个体，研究结果在老年人群和听力受损人群中的普适性还有待进一步研究。未来的研究可以朝着这些方向展开，以更全面地了解预测在听力中的作用，为听力评估和相关疾病的治疗提供更坚实的理论基础。