《Frontiers in Audiology and Otology》：Ten years of the stochastic resonance model of tinnitus: from phantom perception to adaptive sensory optimization
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主观性耳鸣（subjective tinnitus）——在没有外部声学刺激的情况下感知声音——仍然是听觉神经科学中最具争议的现象之一。2016年，随机共振（stochastic resonance, SR）模型被引入作为耳鸣相关神经元过度活动（neuronal
主观性耳鸣（subjective tinnitus）——在没有外部声学刺激的情况下感知声音——仍然是听觉神经科学中最具争议的现象之一。2016年，随机共振（stochastic resonance, SR）模型被引入作为耳鸣相关神经元过度活动（neuronal hyperactivity）的另一种解释，提出内部产生的神经噪声（neural noise）被适应性上调以恢复听力损失后的信息传输。研究人员将增加的自发活动重新定义为一种功能性机制，而非纯粹适应不良，该机制增强感觉阈值附近的信号检测，而耳鸣则作为适应性感觉优化（adaptive sensory optimization）的感知副作用出现。在过去十年中，该框架已从现象学假设演变为更广泛的神经计算理论，整合了信息论（information theory）、自适应信号检测（adaptive signal detection）、多通道听觉处理（multichannel auditory processing）和交叉模态可塑性（cross-modal plasticity）。现有文献跨越不同证据水平：计算模拟建立原理证明，而动物实验、观察性分析和早期临床研究测试了该模型不同且部分重叠的预测。该框架还推动了基于声音的干预措施的具体参数化，使用频谱匹配的近阈值噪声（near-threshold noise）。已有的耳鸣掩蔽器（maskers）和声音疗法独立于SR模型开发，它们的比较临床疗效尚未系统评估。最近，SR框架已被嵌入一个统一的听觉（幻听）感知理论中，整合了随机共振、中枢增益（central gain）、稳态可塑性（homeostatic plasticity）和预测编码（predictive coding）。本综述提供了耳鸣随机共振模型发展的按时间顺序的描述，总结了理论改进和实证证据，并概述了机制验证和临床转化的未来方向。通过将耳鸣重新定义为适应性感觉计算的结果，该模型将概念焦点从病理功能障碍转向神经系统中信息优化的原则。
3 耳鸣随机共振模型的历史
3.1 2016年之前：随机共振、噪声与信息论
在应用于耳鸣之前，随机共振（stochastic resonance, SR）已在非线性动力系统中被确立为一种普遍现象。该现象最初在物理背景下描述，表明在非线性检测器中添加噪声可以改善低于检测阈值的输入信号的传输。在适当条件下，噪声通过使阈值跨越成为可能，增强弱信号的可检测性，而非降低性能。随后的实验和理论研究将这一原理扩展到生物系统，表明噪声增强的信号检测可以在感觉受体和神经群体中出现，从而将SR确立为一种生物学上合理的机制，而非纯粹物理上的好奇心。这些发展为后来将SR应用于听觉处理、耳鸣和幻听感知奠定了理论基础。
3.2 2016年：耳鸣随机共振模型的首次表述
耳鸣随机共振模型于2016年由Krauss及其同事正式提出，他们认为耳鸣相关的神经元过度活动可能源于听力损失后内部产生噪声的适应性增加。该模型的动机是观察到外周输入减少降低了弱感觉信号的可检测性，而增加的自发活动在耳鸣的听觉通路多个水平上被一致观察到。该模型并未将这种过度活动解释为纯粹适应不良，而是认为它可能反映了旨在在退化输入条件下维持信息传输的补偿机制。
3.2.1 概念创新
该模型的核心概念贡献包括两个紧密相关的解释转变。首先，自发神经活动被重新解释为功能性角色。增加的自发放电率不被视为病理性的过度兴奋，而是被提议为非线性感觉系统中最优信号检测所需的内部产生噪声。在此框架内，神经元过度活动作为在检测阈值附近运行的适应性过程的必要副产物出现。其次，该模型提出听觉系统调节内部噪声水平以最大化感觉输入与神经响应之间的信息传输。这一信息论视角后来推动了基于输出自相关性的生物学上合理的自适应随机共振机制的发展。这种解释与稳态可塑性（homeostatic plasticity）和中枢增益（central gain）模型有根本不同，后者假设补偿性增益变化作用于已检测到的信号，而SR模型在信号检测本身层面运作：通过增加内部噪声，亚阈值输入可以跨越神经元阈值，从而在放大机制变得相关之前改善可检测性。
3.2.2 计算实现
原始模型被表述为一个现象学反馈系统，由三个功能组件组成：代表耳蜗或早期听觉阶段的感觉检测器、计算神经响应自相关性的信息检测器，以及通过反馈调节输出的噪声发生器。听力损失后感觉输入减少导致输出自相关性降低，进而增加内部产生的噪声，直到信息传输部分恢复。计算模拟表明，这种自适应噪声调节在高阈值下改善检测性能，同时增加系统内的自发活动。在此框架内，这种增加的活动代表耳鸣的神经相关性，作为适应性感觉优化的结果而非主要功能障碍出现。
3.2.3 经验一致性
除了理论和计算表述，2016年的研究分析了超过39,000名患者的听力计数据。与无耳鸣患者相比，耳鸣患者表现出改善的低频听力阈值，这与随机共振介导的阈值补偿一致。后续工作通过将SR框架的功能组件与已知能够实现自适应噪声调节的听觉结构联系起来，聚焦于生物学合理性。SR被解释为在多个早期处理阶段运作的功能原则，而非指定单一解剖位置。特别关注了外侧橄榄耳蜗传出系统（影响听觉神经活动作为下行通路）和背侧耳蜗核（其回路支持时间相关性及听觉与体感输入的处理和整合）。背侧耳蜗核提供了与体感性耳鸣的机制联系，并在声学创伤后表现出快速活动变化，这与在短时间尺度上运作的适应性过程一致。
3.2.4 与隐性听力损失和突触病的整合
SR框架也自然解释了临床上听力图正常的个体中的耳鸣。隐性听力损失（hidden hearing loss）和耳蜗突触病（cochlear synaptopathy）可在不显著影响听力计阈值的情况下降低神经信息传输的保真度。由于自适应随机共振响应于信息传递的减少而非绝对听力阈值，该模型预测即使在无可测量听力损失的情况下也会出现内部神经噪声的补偿性上调。这为耳鸣在标准听力测量保持正常范围内的患者中频繁发生提供了机制解释。
3.2.5 来自耳塞研究的支持
对人耳塞研究的额外支持来自人类耳塞实验。在这些实验中，通过将耳塞插入一侧耳朵来诱导暂时性单侧听觉剥夺，从而减少听觉输入而不造成听觉系统结构损伤。值得注意的是，健康参与者在剥夺期间或之后经常报告出现短暂耳鸣样幻听感知。这些发现很难仅通过永久性耳蜗病理来解释，因为没有持续的外周损伤。相反，它们表明仅减少听觉输入就能触发神经适应导致幻听声音感知。在SR框架内，耳塞减少了受影响耳的信息传输，导致内部产生的神经噪声适应性上调以维持敏感性。因此，短暂耳鸣感知被解释为这一补偿过程的直接后果。耳塞研究因此提供了慢性听力损失相关耳鸣与短暂幻听感知（如Zwicker音）之间的重要实验桥梁，表明即使在健康听觉系统中，减少的感觉输入也足以诱导耳鸣样感觉。
3.2.6 与竞争模型的比较
在过去十年中，耳鸣的竞争模型主要在神经元过度活动的提议机制和解释上有所不同。稳态可塑性和中枢增益模型将增加的活动归因于外周输入减少后的补偿性放大，并将耳鸣视为这种上调的适应不良副产物。相比之下，预测编码（predictive coding）框架强调改变后的感知推断，提出不可靠的感觉输入将平衡转向内部产生的预测，这些预测被有意识地感知。而随机共振模型则将过度活动解释为适应性内部噪声调节的功能相关性，该调节在退化输入条件下增强信号可检测性。根据该模型，耳鸣作为这一优化过程的不可避免的副作用出现，而非单纯的病理过度兴奋。
3.3 2017–2022年：从耳鸣模型到一般性适应性感觉处理与幻听感知理论
2017年，通过引入一种自适应随机共振机制，SR框架的生物学合理性证据得到加强，该机制能够在不需要知道感觉输入信号的情况下调节内部噪声水平。该模型证明输出自相关性可以作为信息传输的生物学合理代理，并用于通过反馈回路连续调整噪声水平，从而在未知和可变输入条件下最大化信号可检测性。重要的是，该研究表明自适应随机共振不限于高斯噪声、周期信号或硬检测阈值，而是对非高斯噪声分布、非周期信号和生物学上更现实的软阈值系统同样有效，从而大大扩展了其与神经信息处理的潜在相关性。基于此通用框架，后续工作将SR模型扩展到耳鸣特定机制之外，朝向更广泛的适应性感觉处理和幻听感知理论。核心思想是内部产生的神经噪声构成一种功能性资源，可以动态调节以在退化感觉条件下维持信息传输。在此视角下，耳鸣及相关幻听感知作为原本有益优化过程的副作用出现，该过程改善信号可检测性和感觉性能。这一更广泛的解释最终形成了交叉模态随机共振（cross-modal stochastic resonance）的概念，提出内部产生或交叉模态的神经活动可以作为功能性噪声源，增强跨模态的感觉处理。研究人员提出，当适应性感觉回路试图在持续退化输入条件下维持信息传输时，幻听感知就会出现。该模型为Zeng（2013）的中枢噪声模型提供了机制基础，通过识别自适应内部噪声调节作为具体回路级机制来填补空白，该机制增强信号检测同时产生幻听感知作为副产物。此外，该模型从单通道表述发展为多通道视角，其中频率特异性通路作为部分独立的自适应检测器运作。在受输入退化影响的频率区域中进行局部内部噪声调节，为耳鸣的频率特异性特征及其在听力损失相关区域中的聚集提供了机制解释。后续工作将框架与经验发现联系起来，如外部噪声中音调检测的改善、感觉剥夺后的短暂幻听感知、耳鸣的体感觉调节以及耳鸣与听觉过敏的共现。2021年，来自动物模型的证据表明，长期缺口噪声暴露诱导的模拟短暂听力损失改善了频率特异性听觉敏感性，同时引发了耳鸣样幻听感知，支持了自适应随机共振以内部产生的幻听声音为代价增强信号检测的假设。一个特别重要的计算里程碑涉及超越简单信号检测的复杂听觉处理。在深度神经网络模拟中，模拟听力损失本身并未改善语音识别，反而降低了准确性；而添加适当水平的内在噪声部分恢复了相对于无添加噪声受损条件的性能。然而，该效果并不构成比正常听力更好的证据，因此与耳蜗神经退化可损害背景噪声中的听觉并增加皮质内部噪声的研究结果并不矛盾。这种比较突出了SR假设的一个核心约束：仅当噪声在适当处理阶段引入并自适应维持在最优附近时才预测有益，而不足、过度或失调的内部噪声应退化神经编码和感知性能。随机共振的有益效应预计依赖于处理阶段和运行状态。在非线性检测阈值附近，适当缩放的内在噪声可增加信息波动引发响应的概率。更一般地，随机共振和超阈值随机共振预测，在特定条件下，非零噪声水平可在非线性系统中改善信息传输，前提是噪声保持适当调节。相反，过度、不足或失调的内部可变性应退化时间、频谱或群体编码。因此，自适应调节必须持续根据当前感觉环境调整内部噪声，而非维持均匀升高的可变性。对超阈值感知（包括背景噪声中的语音识别、响度增长和听觉过敏）的后果仍不完整，构成对SR框架范围和限制的重要测试。这些功能性益处可能有助于解释为何一些耳鸣患者相对于其听力损失程度表现出比预期更少的认知衰退。总体而言，这些发展支持了耳鸣作为适应性感觉优化过程的结果的观点，这些过程旨在在不利感觉条件下维持信息传输。
3.4 2023年至今：迈向统一的耳鸣发展理论
到2023年，单一模型无法解释全部耳鸣现象已变得清晰。随机共振框架与预测或高效编码理论之间已注意到概念平行性，两者都假定感觉系统主动补偿减少或不可靠的输入以维持稳定表征。然而，这些机制在不同解释层面运作。随机共振在信号检测层面运作，调节内部可变性，并解释耳鸣相关过度活动的诱导，特别是在背侧耳蜗核水平。沿听觉通路的稳态可塑性和中枢增益机制随后可放大这种过度活动，提供与招募强度以及耳鸣与听觉过敏频繁关联的联系。而预测编码或贝叶斯大脑模型则解释这种内部生成的活动如何成为有意识感知。在此统一视角内，随机共振诱导的过度活动最初可能被误解为真实外部音调，导致急性耳鸣。随着持续的内部生成噪声，高层预测逐渐更新，稳定幻听感知并促成慢性耳鸣。针对这些互补优势，2023年成立了一个联盟，将随机共振、增益可塑性和预测编码整合为耳鸣发展的广义框架。该框架在单一连贯模型中连接了耳鸣的诱导、放大和有意识感知。
4 局限性与开放问题
尽管过去十年取得了实质性概念和经验进展，但仍存在若干重要局限性和开放问题。所回顾的证据跨越不同分析水平，不应被视为统一证明了人类中的SR机制。计算研究通过展示适当缩放的内在噪声可在模拟听力损失后改善信号检测或语音分类来建立原理证明，而动物实验、听力计关联和早期临床研究测试了该框架不同且仅部分重叠的预测。特别是，Schilling等人报告的语音识别结果是在人工神经网络模型中获得的，尚未在人类参与者中得到证实。因此，这些发现支持基于SR的补偿的计算可行性，但本身并未确立人类听觉系统实现了所提议的机制。本综述中讨论的若干出版物是概念性、观点性或综合文章，而非新经验数据的报告。它们的贡献在于精炼SR假设，将其与中枢增益和预测编码模型联系起来，并推导出可检验的预测。因此，它们应与原始计算、动物、观察性和临床研究区分开来。虽然隐性听力损失和耳蜗突触病为SR介导的补偿提供了合理基础，但耳蜗病理、内部产生的神经噪声与感知结果之间的关系可能比简单的内部可变性增加更为复杂。Resnik和Polley（2021）提供了一个重要约束，他们表明耳蜗神经退化与听觉皮质中内部噪声增加以及背景噪声中听力受损相关。这一发现表明，内部可变性增加的功能后果取决于这种可变性在何处以及如何产生。在SR框架内，该观察可通过区分非线性检测阶段适当缩放和调节的噪声与过度的、下游的或调节不足的皮质可变性来调和。耳蜗神经退化后观察到的皮质变化是补偿过程的适应不良后果、早期SR样机制的传播还是不同现象，仍是一个开放问题，需要跨听觉系统不同水平的直接实验研究。所提议的随机共振在听觉之外的相关性涉及一般信号处理原则，并不意味所有感觉系统都应产生耳鸣样幻听感知。噪声可在不同非线性感觉回路中促进阈值跨越，而不一定达到意识觉察。幻听感知还需要模态特异性条件，包括自发活动的组织、感觉剥夺的持续性和定位，以及高层感知系统对内部生成活动的解释。其他模态中的幻感觉和剥夺相关幻觉在现象学和机制上不等同于耳鸣；因此，交叉模态SR目前应被视为关于适应性信息处理的假设，而非幻听感知的普遍解释。基于声音的干预措施，包括耳鸣掩蔽器和更广泛形式的声音疗法，在SR模型表述之前就已确立。因此，SR衍生方法不应被理解为引入声音疗法本身，而是为使用频谱靶向、近阈值噪声提供具体机制依据，这些噪声针对听力损失或耳鸣感知相关的频率区域。已有研究评估了这种参数化的可行性和潜在效果，但尚未证明其优于传统宽带掩蔽器或其他声音疗法方案。需要直接、充分有力的主动控制条件比较，以确定基于SR的参数选择是否提供增量临床益处。
5 SR模型与耳鸣研究的未来
在其引入十年后，随机共振框架已从理论提议发展为耳鸣研究的统一视角，连接了听觉生理学、计算神经科学和适应性信息处理。通过将耳鸣相关过度活动解释为感觉优化的结果而非病理过度兴奋，该模型将焦点从功能障碍转向适应。它也将幻听感知重新定义为在退化输入条件下通常维持敏感性的机制的潜在副产物。下一个决定性步骤是神经层面的经验验证。直接在听觉系统内展示自适应内部噪声调节将为框架提供关键支持。这种证据将把模型从理论可能性提升到机制验证。同时，需要进行严格的定量测试。随机共振框架做出具体可证伪的预测，例如在特定噪声条件下的改善可检测性以及增强敏感性与幻听感知的共存。能够将这些动态与仅基于增益变化或可塑性的解释区分开的实验范式至关重要。一个核心经验挑战是确定内部产生的神经可变性在何处、何时以及何种条件下支持听觉处理而非退化它。未来实验应量化跨多个处理阶段和刺激强度的内部可变性，同时测量感知表现。此类研究将需要确定自适应随机共振是否作为早期非线性检测阶段的短暂补偿机制运作，如何与下游可塑性相互作用，以及如何将有益可变性与失调的皮质活动区分开来。临床转化进一步提高了赌注。从模型衍生的初始治疗应用表明，自适应噪声调节不仅在理论上重要，而且在临床上相关。然而，现在需要大规模对照试验和客观生物标志物来定义响应者概况并优化治疗参数。重要的是，随机共振框架并不反对现有模型，而是将诱导、放大和有意识感知整合在一个更广泛的适应性架构内。随机共振是耳鸣的主要驱动因素还是多级过程的核心机制，仍有待经验确定。然而，该模型已重新定义了耳鸣，将其从纯粹适应不良现象转变为适应性感觉计算的潜在涌现属性。这一概念转变开启了一个新的研究计划，将基础神经科学、计算建模和临床干预连接在一个连贯、可检验的框架内。
