缺口噪声揭示声音包络神经表征的差异性改善机制及其在听觉感知中的意义

本研究通过结合计算模型、蒙古沙鼠听觉神经单纤维记录和人类心理物理学实验，揭示了缺口噪声如何通过调节耳蜗增益，在较高声压级下改善目标刺激在频谱侧翼的包络时间编码。研究发现缺口噪声能将最佳包络相位锁定(phase locking)从20-30 dB SPL提升至60 dB SPL，为解决年龄和噪声性听力损失导致的日常听觉障碍（如噪声中言语感知和声源定位困难）提供了新的神经机制解释。

　　

听觉系统如何在高环境噪声中保持精确的时间编码能力，一直是听觉神经科学的核心问题。日常生活中，60-70 dB SPL的中等强度声音普遍存在，但传统研究显示听觉神经纤维对载波频率（on-frequency通道）的包络相位锁定(phase locking)会随声压级升高而显著下降，这与人类心理物理学观察到的包络时间差(ITD_ENV)敏感性增强现象形成矛盾。这一矛盾暗示着听觉系统可能存在未被充分认识的补偿机制。

德国奥尔登堡大学（University of Oldenburg）的研究团队在《Communications Biology》发表的研究中，通过多学科方法揭示了缺口噪声(notched noise)对听觉神经编码的调控作用。研究采用Bruce等人开发的听觉外周计算模型、蒙古沙鼠(Meriones unguiculatus)听觉神经单纤维记录（n=24纤维），以及人类心理物理学实验（n=7受试者），系统分析了4 kHz载波频率的128 Hz正弦调幅音(SAM tone)在不同噪声条件下的神经表征变化。关键技术包括：计算模型模拟25种特征频率(CF)纤维的响应；动物实验记录纤维的发放率阈值和自发率(SR)；心理物理学采用二选一强迫任务测量包络时间差(ITD_ENV)阈值。

包络相位锁定在高低声压级下的频率通道差异

计算模型和动物实验均证实，低强度(20 dB SPL)时包络编码主要依赖on-frequency通道（CF≈4 kHz），其向量强度(VS)可达0.63；而在65 dB SPL时，相位锁定优势转移至off-frequency通道（CF≈2-3 kHz和5-6 kHz），这与内毛细胞受体电位饱和导致on-frequency通道发放率饱和有关。

缺口噪声改善on-frequency通道编码

当添加缺口宽度(w)20%-30%、相对谱噪声级(g)=-35至-55 dB·Hz^-1的缺口噪声时，模型预测on-frequency通道VS可提升0.23，动物实验验证了该效应（p<0.01）。低自发率(SR<18 spikes·s^-1)纤维改善更显著（r=-0.67），暗示外毛细胞通过降低有效增益来重置输入-输出曲线。

单侧缺口噪声破坏双耳时间差敏感性

心理物理学实验显示，双耳缺口噪声下ITD_ENV阈值保持稳定，但单侧噪声导致定位正确率显著下降（p≤0.01），证实噪声将包络编码从off-frequency转移到on-frequency通道，造成双耳频率通道失匹配。

这项研究首次阐明了缺口噪声通过耳蜗增益调控重塑时间编码的神经机制，解决了生理学与心理物理学在包络编码认知上的矛盾。其重要意义在于：为年龄/噪声性听力损失（特别是外毛细胞损伤）导致的噪声中言语识别障碍提供了新的解释框架；提示临床助听器算法需考虑非线性增益调节对时间编码的影响；革新了传统听觉滤波器线性模型的局限性认知。研究结果对开发基于生理机制的听力康复策略具有重要指导价值。