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脊髓損傷（SCI）運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)理

脊髓損傷后，大腦與肢體之間的神經(jīng)通路中斷，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙。傳統(tǒng)康復(fù)方法（如運(yùn)動(dòng)療法）在慢性期效果有限。脊髓刺激（SCS）通過(guò)電刺激激活脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生“假體效應(yīng)”，暫時(shí)恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能，促進(jìn)神經(jīng)可塑性。SCS可增強(qiáng)殘余下行運(yùn)動(dòng)信號(hào)，提高皮質(zhì)興奮性，從而支持運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元激活。

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非侵入性腦脊接口（BSI）工作機(jī)理

BSI系統(tǒng)通過(guò)EEG實(shí)時(shí)解碼大腦運(yùn)動(dòng)意圖（如膝關(guān)節(jié)伸展），并控制tSCS的輸出時(shí)機(jī)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)患者嘗試運(yùn)動(dòng)時(shí)，EEG檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的“事件相關(guān)去同步化”（ERD），解碼器識(shí)別出運(yùn)動(dòng)起始信號(hào)后，觸發(fā)tSCS刺激脊髓，輔助完成運(yùn)動(dòng)。

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非侵入性腦脊接口（BSI）系統(tǒng)詳細(xì)說(shuō)明

系統(tǒng)組成：

EEG采集系統(tǒng)：32通道無(wú)線EEG頭戴設(shè)備（gNautilus），采樣率500 Hz，覆蓋感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)。

EMG/IMU記錄：用于記錄肌肉活動(dòng)和運(yùn)動(dòng) kinematics，作為運(yùn)動(dòng)起始的 ground truth。

tSCS刺激系統(tǒng)：陰極置于T10右側(cè)，陽(yáng)極置于臍右側(cè)，刺激頻率30 Hz，強(qiáng)度10–15 mA。

同步機(jī)制：使用NI-DAQ板生成同步脈沖，通過(guò)TTL信號(hào)同步EEG、EMG和tSCS設(shè)備（圖2a）。所有數(shù)據(jù)流在BCI2000平臺(tái)中統(tǒng)一時(shí)間戳。

圖2 實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)置與協(xié)議設(shè)計(jì)

圖2a展示了用于EEG和EMG信號(hào)采集以及tSCS刺激的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，包括EEG頭戴設(shè)備、同步脈沖發(fā)生器、刺激器等。

圖2b為實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)，包括三種任務(wù)條件（有提示運(yùn)動(dòng)、想象運(yùn)動(dòng)、無(wú)提示運(yùn)動(dòng)）的區(qū)塊隨機(jī)順序安排。

解碼算法詳解：

特征提取：EEG信號(hào)經(jīng)過(guò)4–40 Hz帶通濾波、共同平均參考（CAR）去噪，功率譜密度（PSD）在μ（8–12 Hz）、低β（16–20 Hz）、高β（24–28 Hz）頻帶提取。

LDA分類器：使用480個(gè)特征（3頻帶 × 5時(shí)間窗 × 32通道）進(jìn)行二分類（運(yùn)動(dòng)/靜止），采用5折交叉驗(yàn)證訓(xùn)練（圖3c,d）。

圖3 特征選擇與解碼器訓(xùn)練流程

圖3a展示了代表性被試在運(yùn)動(dòng)期間的功率譜變化。

圖3b為R2頭皮地形圖，顯示各頻段在運(yùn)動(dòng)期間的解釋方差。

圖3c為EEG數(shù)據(jù)處理流程，包括濾波、功率提取、特征構(gòu)建（頻段+時(shí)延+通道）。

圖3d為五折交叉驗(yàn)證的訓(xùn)練策略。

解碼控制tSCS輸出：

當(dāng)解碼概率超過(guò)閾值時(shí)，tSCS強(qiáng)度從10 mA升至15 mA，持續(xù)6秒，模擬運(yùn)動(dòng)周期（圖5b,c）。

解碼器在實(shí)時(shí)任務(wù)中表現(xiàn)良好（AUC > 0.8），表明可實(shí)現(xiàn)“意圖驅(qū)動(dòng)”的刺激輸出。

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臨床研究：研究方法與結(jié)果

研究方法：

參與者：17名健康成人，進(jìn)行三類任務(wù)：提示運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)想象、非提示運(yùn)動(dòng)（圖2b）。

實(shí)驗(yàn)階段：

Phase I：離線解碼器訓(xùn)練與驗(yàn)證。

Phase II：實(shí)時(shí)腦控tSCS。

Phase III：控制實(shí)驗(yàn)與替代策略（如使用非人形提示）。

性能指標(biāo)：

AUC（曲線下面積）：衡量解碼器綜合性能的指標(biāo)，值越高代表區(qū)分運(yùn)動(dòng)與靜止?fàn)顟B(tài)的能力越強(qiáng)。

TPR（真正例率）：系統(tǒng)成功檢測(cè)到真實(shí)運(yùn)動(dòng)意圖的概率，高TPR意味著“漏報(bào)”少。

TNR（真負(fù)例率）：系統(tǒng)在用戶靜止時(shí)保持安靜的概率，高TNR意味著“誤報(bào)”少。

時(shí)間容差窗口分析：評(píng)估系統(tǒng)觸發(fā)刺激的時(shí)機(jī)與真實(shí)運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)之間同步精度的指標(biāo)，容差越小對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求越高。

研究結(jié)果：

該項(xiàng)研究通過(guò)三個(gè)階段系統(tǒng)性地開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了非侵入性腦脊接口。Phase I（神經(jīng)關(guān)聯(lián)識(shí)別與離線解碼）首先在健康參與者中成功識(shí)別出膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)感覺(jué)皮層的特定腦電節(jié)律去同步化模式，并基于此訓(xùn)練出一個(gè)能高精度解碼運(yùn)動(dòng)意圖的線性判別分析模型，其有效性在提示性運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)想象和非提示運(yùn)動(dòng)任務(wù)中均得到離線驗(yàn)證。Phase II（實(shí)時(shí)腦控刺激）繼而將該解碼器投入實(shí)時(shí)應(yīng)用，結(jié)果表明其能在存在刺激干擾的情況下，可靠地控制經(jīng)皮脊髓電刺激的時(shí)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了基于運(yùn)動(dòng)意圖的閉環(huán)腦脊接口，證明了系統(tǒng)核心功能的可行性。Phase III（控制實(shí)驗(yàn)與替代策略）則進(jìn)一步通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)排除了任務(wù)提示類型的干擾，并探索了系統(tǒng)的適應(yīng)性，其中最重要的發(fā)現(xiàn)是，利用運(yùn)動(dòng)想象數(shù)據(jù)訓(xùn)練的解碼器同樣能有效控制實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的刺激，這為該系統(tǒng)未來(lái)應(yīng)用于無(wú)法產(chǎn)生實(shí)際運(yùn)動(dòng)的完全性脊髓損傷患者奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

在這項(xiàng)研究中，AUC（受試者工作特征曲線下面積）是評(píng)估腦電解碼器性能的核心指標(biāo)，它衡量的是解碼器內(nèi)在的、獨(dú)立于任何主觀設(shè)置的分辨能力。其核心任務(wù)是根據(jù)腦電信號(hào)判斷參與者處于“運(yùn)動(dòng)”還是“靜止”狀態(tài)。由于解碼器輸出的是一個(gè)連續(xù)的“運(yùn)動(dòng)概率”，研究者需要設(shè)定一個(gè)閾值來(lái)做出最終判斷，而不同的閾值會(huì)導(dǎo)致“漏報(bào)”和“誤報(bào)”之間的權(quán)衡。AUC的價(jià)值就在于它摒棄了單一閾值的局限，通過(guò)綜合考察所有可能閾值下的表現(xiàn)（即ROC曲線），對(duì)解碼器區(qū)分兩類狀態(tài)的整體能力給出一個(gè)魯棒的評(píng)價(jià)。AUC=0.5意味著性能等同于隨機(jī)猜測(cè)，而AUC越接近1，則表明解碼器的分辨能力越強(qiáng)。

在本研究中，提示運(yùn)動(dòng)任務(wù)下高達(dá)0.83的AUC證明，基于EEG信號(hào)可以極其清晰地區(qū)分運(yùn)動(dòng)意圖與靜止?fàn)顟B(tài)；而非提示運(yùn)動(dòng)任務(wù)下0.68的AUC（雖顯著高于隨機(jī)水平但有所下降）則表明，在更自然的無(wú)提示場(chǎng)景下，解碼難度增加，但基本可行性依然成立。因此，AUC指標(biāo)從根本上驗(yàn)證了利用非侵入式腦電信號(hào)解碼下肢運(yùn)動(dòng)意圖的可行性，為整個(gè)腦脊接口系統(tǒng)的有效性奠定了基石。

離線解碼性能（圖4）：

提示運(yùn)動(dòng)：AUC = 0.83

運(yùn)動(dòng)想象：AUC = 0.77

非提示運(yùn)動(dòng)：AUC = 0.72

圖4：離線解碼器性能評(píng)估

圖4a–c分別展示有提示運(yùn)動(dòng)、想象運(yùn)動(dòng)、無(wú)提示運(yùn)動(dòng)下的EEG頻譜、EMG、運(yùn)動(dòng)概率對(duì)齊情況。

圖4d為運(yùn)動(dòng)概率隨時(shí)間變化。

圖4e–f為ROC曲線構(gòu)建示意圖。

圖4g–i為三種條件下的ROC曲線及AUC比較。

圖4j–l為混淆矩陣。

實(shí)時(shí)控制性能（圖5）：

提示運(yùn)動(dòng) + tSCS：AUC = 0.81

非提示運(yùn)動(dòng) + tSCS：AUC = 0.68

圖5：實(shí)時(shí)腦控tSCS性能

圖5a為實(shí)時(shí)BSI系統(tǒng)示意圖。

圖5b為訓(xùn)練階段的刺激協(xié)議。

圖5c為實(shí)時(shí)解碼下的EEG、EMG、運(yùn)動(dòng)概率與刺激時(shí)序。

圖5d–e為有/無(wú)提示運(yùn)動(dòng)下的ROC曲線。

圖5f為AUC對(duì)比。

圖5g–h為混淆矩陣。

分析要點(diǎn)：

實(shí)時(shí)解碼器在有提示運(yùn)動(dòng)中AUC達(dá)0.81，無(wú)提示運(yùn)動(dòng)中為0.68，說(shuō)明系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)閉環(huán)控制能力。

刺激時(shí)機(jī)與運(yùn)動(dòng)意圖基本同步，但無(wú)提示任務(wù)中時(shí)序準(zhǔn)確性下降。

神經(jīng)策略差異（圖6）：提示與非提示運(yùn)動(dòng)在ERD地形圖上存在顯著空間差異，說(shuō)明任務(wù)策略不同。

圖6：R2地形圖與PCA分析

圖6a展示兩名代表性被試在不同條件下的R2地形圖。

圖6b為R2差異地形圖（有提示運(yùn)動(dòng) vs. 想象/無(wú)提示運(yùn)動(dòng)）。

圖6c為PCA投影圖，顯示不同條件在主成分空間中的分布。

圖6d為歐幾里得距離比較。

分析要點(diǎn)：

有提示運(yùn)動(dòng)與想象任務(wù)在中央?yún)^(qū)差異較小，而與無(wú)提示運(yùn)動(dòng)在全腦范圍差異顯著。

PCA結(jié)果顯示無(wú)提示運(yùn)動(dòng)與有提示運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)狀態(tài)距離更大，支持“不同神經(jīng)策略”假設(shè)。

想象任務(wù)通用性（圖7）：想象訓(xùn)練的解碼器可泛化至實(shí)際運(yùn)動(dòng)（AUC = 0.79），適用于完全性SCI患者。

圖7：想象訓(xùn)練解碼器泛化至有提示運(yùn)動(dòng)

圖7a為ROC曲線（訓(xùn)練：想象，測(cè)試：有提示運(yùn)動(dòng)）。

圖7b為與有提示訓(xùn)練解碼器的AUC對(duì)比。

圖7c為混淆矩陣。

分析要點(diǎn)：

想象訓(xùn)練的解碼器泛化至有提示運(yùn)動(dòng)時(shí)AUC為0.79，與有提示訓(xùn)練無(wú)顯著差異。

這為完全性脊髓損傷患者（無(wú)法執(zhí)行實(shí)際運(yùn)動(dòng)）使用BSI提供了可能。

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總結(jié)

本研究成功開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種非侵入性腦脊接口系統(tǒng)，能夠通過(guò)EEG解碼運(yùn)動(dòng)意圖并實(shí)時(shí)觸發(fā)tSCS。系統(tǒng)在無(wú)損傷參與者中表現(xiàn)出高于機(jī)會(huì)水平的解碼精度，且對(duì)想象和無(wú)提示任務(wù)具有一定泛化能力。盡管在自然無(wú)提示運(yùn)動(dòng)中性能下降，但通過(guò)任務(wù)特異性訓(xùn)練或想象訓(xùn)練仍具潛力。該BSI系統(tǒng)為SCI患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)提供了新思路，未來(lái)需進(jìn)一步優(yōu)化解碼算法、降低延遲，并開(kāi)展臨床驗(yàn)證。這個(gè)系統(tǒng)的終極目標(biāo)是：在患者想要?jiǎng)拥臅r(shí)候，立即給予脊髓刺激（tSCS）來(lái)輔助運(yùn)動(dòng)，從而將“運(yùn)動(dòng)意圖”和“刺激輔助”精確同步，最大化康復(fù)效果。有提示運(yùn)動(dòng)：作為性能基準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)有殘留運(yùn)動(dòng)功能的不完全性脊髓損傷患者，驗(yàn)證在理想條件下系統(tǒng)解碼運(yùn)動(dòng)意圖的能力。運(yùn)動(dòng)想象：用于排除運(yùn)動(dòng)偽影，對(duì)應(yīng)無(wú)運(yùn)動(dòng)功能的完全性脊髓損傷患者，證明系統(tǒng)可僅憑運(yùn)動(dòng)意圖驅(qū)動(dòng)，為該人群提供應(yīng)用基礎(chǔ)。無(wú)提示運(yùn)動(dòng)：測(cè)試自然場(chǎng)景的泛化能力，對(duì)應(yīng)所有患者康復(fù)的終極目標(biāo)，評(píng)估系統(tǒng)在自主、隨意運(yùn)動(dòng)中的實(shí)用性。

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回映產(chǎn)品

產(chǎn)品1：便攜無(wú)創(chuàng)腦脊接口設(shè)備（可ODM定制開(kāi)發(fā)）

回映這款非侵入性腦脊接口整機(jī)設(shè)備是一個(gè)高度集成的閉環(huán)神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)，其核心工作流程始于一個(gè)配備32個(gè)電極的便攜式腦電帽，用于無(wú)創(chuàng)采集用戶大腦感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)信號(hào)。這些信號(hào)被實(shí)時(shí)傳輸至內(nèi)置的信號(hào)處理與計(jì)算單元，該單元運(yùn)行著先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法（線性判別分析，LDA），能夠從特定的腦電節(jié)律（μ波和β波）中持續(xù)解碼出下肢的運(yùn)動(dòng)意圖，并將其量化為一個(gè)實(shí)時(shí)的“運(yùn)動(dòng)概率”。一旦該概率值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，計(jì)算單元會(huì)即刻向經(jīng)皮脊髓電刺激器發(fā)出觸發(fā)指令。刺激器則通過(guò)精準(zhǔn)貼附于使用者背部T10脊髓節(jié)段和腹部的電極，輸送出與運(yùn)動(dòng)意圖同步的、特定參數(shù)（如30Hz，10-15mA）的電刺激，以激活脊髓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輔助運(yùn)動(dòng)完成。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的硬件同步機(jī)制，確保了從“意念識(shí)別”到“脊髓刺激”整個(gè)環(huán)路的時(shí)間精度，最終形成一個(gè)由“大腦意圖驅(qū)動(dòng)、脊髓刺激輔助”的一體化康復(fù)設(shè)備，旨在通過(guò)這種精準(zhǔn)的閉環(huán)干預(yù)促進(jìn)脊髓損傷患者的神經(jīng)功能重塑與運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

便攜無(wú)創(chuàng)腦脊接口設(shè)備示意圖

產(chǎn)品2：手持式經(jīng)皮脊髓神經(jīng)電刺激(tSCS)

本設(shè)備采用經(jīng)皮脊髓電刺激（transcutaneous Spinal Cord Stimulation, tSCS）技術(shù)，是一種基于生物電調(diào)控原理的非侵入性神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。其核心技術(shù)特征為：通過(guò)高頻載波信號(hào)的低頻脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation, PAM），在保證刺激深度的同時(shí)顯著降低皮膚阻抗帶來(lái)的不適感。刺激電流經(jīng)體表電極耦合至目標(biāo)脊髓節(jié)段，可選擇性激活脊髓后柱神經(jīng)通路及中間神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。

從臨床應(yīng)用維度，本系統(tǒng)具有多節(jié)段調(diào)控能力：頸段tSCS通過(guò)調(diào)節(jié)頸膨大（C5-T1）神經(jīng)環(huán)路，可有效改善中樞性上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙；腰骶段tSCS作用于腰膨大（L1-S2）神經(jīng)中樞，能促進(jìn)下肢運(yùn)動(dòng)功能重建（包括直立位平衡及步態(tài)訓(xùn)練），同時(shí)通過(guò)門(mén)控機(jī)制實(shí)現(xiàn)疼痛調(diào)控?，F(xiàn)有循證醫(yī)學(xué)證據(jù)支持其在慢性脊髓損傷康復(fù)、神經(jīng)源性膀胱管理及急性痛癥干預(yù)等領(lǐng)域的輔助治療價(jià)值。

回映經(jīng)皮脊髓電刺激tSCS設(shè)備示意圖

產(chǎn)品3：48通道8腦區(qū)同步高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備

回映電子科技院線級(jí)多腦區(qū)高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備(MXN-48)是一款可8腦區(qū)/8人同步干預(yù)的高精度經(jīng)顱電刺激實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其已突破了Soterix對(duì)該技術(shù)的壟斷(Soterix產(chǎn)品Soterix MXN-33 高精度經(jīng)顱電刺激系統(tǒng)其之前是市面上唯一款可對(duì)不同腦區(qū)進(jìn)行同步精確干預(yù)的設(shè)備)回映高精度經(jīng)顱電刺激產(chǎn)品M×N-48其具有48個(gè)獨(dú)立輸出通道，每個(gè)通道的波形，強(qiáng)度等參數(shù)都可以獨(dú)立設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)不同腦區(qū)的同步干預(yù)，不同腦區(qū)的相位同步性<0.1°，大大增強(qiáng)了tES的神經(jīng)調(diào)控效果?；赜掣呔冉?jīng)顱電刺激設(shè)備提供了兩種不同的操作模式以供研究者選擇——基礎(chǔ)模式和自由模式。基礎(chǔ)模式使用更加方便，設(shè)定簡(jiǎn)單；自由模式則允許導(dǎo)入自定義電流波形，功能更加強(qiáng)大。
回映自研 48通道8腦區(qū)同步高精度經(jīng)顱電刺激設(shè)備
適用范圍：康復(fù)醫(yī)學(xué)：運(yùn)動(dòng)功能障礙、語(yǔ)言障礙、認(rèn)知障礙、吞咽障礙、意識(shí)障礙、上肢肌張力障礙、卒中后抑郁、卒中后疼痛等精神病學(xué)：抑郁癥、焦慮癥、強(qiáng)迫癥、物質(zhì)成癮、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙﹑精神分裂癥等兒童康復(fù)：腦癱、運(yùn)動(dòng)功能障礙、注意缺陷多動(dòng)障礙、孤獨(dú)癥、閱讀障礙、語(yǔ)言發(fā)育遲緩等神經(jīng)病學(xué)：睡眠障礙、耳鳴、慢性疼痛、帕金森病、纖維肌痛、慢性疼痛(脊髓損傷下肢)、阿爾茨海默病、單側(cè)忽略﹑偏頭痛、神經(jīng)性疼痛等腦科學(xué)研究：記憶、學(xué)習(xí)、言語(yǔ)等

產(chǎn)品4：手持式高精度經(jīng)顱電刺激HD-tES設(shè)備

回映便攜式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)創(chuàng)新地采用type-C轉(zhuǎn)生物電極的設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品能夠非常便捷地被使用?；赜潮銛y式高精度經(jīng)顱電刺激儀(HD-tES)通過(guò)多電極配置(1個(gè)中心電極和4個(gè)返回電極)實(shí)現(xiàn)高精度電流聚焦,精準(zhǔn)刺激目標(biāo)腦區(qū)。其核心優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)縮小電極尺寸(直徑12mm的環(huán)形電極)和增加電極數(shù)量,顯著提升刺激的聚焦性和精準(zhǔn)性。
回映HD-tES支持多模式刺激,覆蓋多場(chǎng)景需求：HD-tDCS模式：調(diào)節(jié)皮層興奮性,適用于中風(fēng)康復(fù)、抑郁癥干預(yù)等。HD-tACS模式：精準(zhǔn)鎖定腦電頻段(如β-γ頻段改善強(qiáng)迫癥,4Hz增強(qiáng)工作記憶)適配認(rèn)知障礙治療等。HD-tRNS模式：HD-tRNS 對(duì)顯式和隱式計(jì)時(shí)任務(wù)的影響不同,用于研究大腦的計(jì)時(shí)機(jī)制和時(shí)間處理能力等。

回映便攜式HD-TES設(shè)備示意圖

回映自研type-C轉(zhuǎn)生物電極示意圖
適用范圍:神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療，意識(shí)障礙和認(rèn)知功能調(diào)節(jié)，康復(fù)治療，運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能恢復(fù)。產(chǎn)品5：便攜式經(jīng)顱強(qiáng)交流電刺激儀(Hi-tACS)
該設(shè)備采用非侵入性的10-30mA刺激電流直接刺激大腦區(qū)域，進(jìn)而刺激大腦深部的神經(jīng)核團(tuán)、改變神經(jīng)遞質(zhì)水平，影響腦電節(jié)律、改善腦區(qū)間的聯(lián)絡(luò)，從而增強(qiáng)腦功能，治愈疾病。