Nat Med：上海交大/上體/上科大等團(tuán)隊(duì)首次揭示 VR 運(yùn)動(dòng)在體重管理與認(rèn)知健康重塑中的作用機(jī)制

「肥胖，正在悄悄改變青少年的未來(lái)。」

近年來(lái)，青少年肥胖問(wèn)題日益嚴(yán)峻，已演變?yōu)橐粓?chǎng)全球公共衛(wèi)生危機(jī)。據(jù)報(bào)道從 1990 年到 2022 年間，全球 5 歲至 19 歲兒童和青少年中的肥胖人數(shù)增加了約 3 倍。通過(guò)科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式幫助青少年健康減重、更加陽(yáng)光、培養(yǎng)終身受益的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，已成為當(dāng)前全球公共衛(wèi)生領(lǐng)域的重要議題。

2025 年 6 月 23 日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院/主動(dòng)健康戰(zhàn)略與發(fā)展研究院李華婷教授團(tuán)隊(duì)、上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院/人工智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盛斌教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)醫(yī)工交叉合作研究，攜手上海體育大學(xué)王繼紅研究員團(tuán)隊(duì)、上海科技大學(xué)/上海臨床研究中心曾嶸教授團(tuán)隊(duì)及新加坡國(guó)立大學(xué)林水德教授團(tuán)隊(duì)，在 Nature Medicine 發(fā)表研究論文

「Adaptive AI-based virtual reality sports system for adolescents with excess body weight: a randomized controlled trial」。

研究團(tuán)隊(duì)完成了全球首例聚焦超重肥胖青少年群體的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)干預(yù)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)（RCT）。該研究創(chuàng)新性采用多維度評(píng)估體系，并在傳統(tǒng)對(duì)照設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)等強(qiáng)度真實(shí)運(yùn)動(dòng)參照組，系統(tǒng)解析了 VR 運(yùn)動(dòng)干預(yù)對(duì)超重肥胖青少年身-心-腦健康的復(fù)合效應(yīng)，不僅涵蓋代謝指標(biāo)，還包括了身體素質(zhì)、心理健康及運(yùn)動(dòng)意愿等維度，并精準(zhǔn)評(píng)估了干預(yù)措施對(duì)青少年認(rèn)知功能的潛在影響（圖 1）。

圖 1：REVERIE（「靈境」）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)賦能青少年肥胖的干預(yù)

青少年肥胖問(wèn)題正持續(xù)加劇，不僅顯著增加代謝性疾病風(fēng)險(xiǎn)，還可能引發(fā)持久性的認(rèn)知功能下降。雖然運(yùn)動(dòng)干預(yù)是最有效的手段，但青少年普遍存在鍛煉意愿低、社交障礙和缺乏專業(yè)指導(dǎo)等現(xiàn)實(shí)困境，亟需建立更具針對(duì)性且人性化的運(yùn)動(dòng)干預(yù)體系。

錢學(xué)森先生早在 1990 年代就將 Virtual Reality 精妙地譯為「靈境」，并預(yù)言這項(xiàng)技術(shù)將「它能大大擴(kuò)展人腦的知覺(jué)，因而使人進(jìn)入前所未有的新天地，新的歷史時(shí)代要開始了」。這與「計(jì)算機(jī)圖形學(xué)之父」伊萬(wàn) · 薩瑟蘭 60 年代提出的「終極顯示」理念遙相呼應(yīng)。當(dāng)下 VR 技術(shù)雖已在醫(yī)療領(lǐng)域初現(xiàn)成效、展現(xiàn)出干預(yù)潛力，但多缺乏個(gè)性化反饋，且缺乏高質(zhì)量驗(yàn)證研究，限制其應(yīng)用。

基于此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了全球首個(gè)專為青少年設(shè)計(jì)的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) REVERIE，融合沉浸體驗(yàn)與智能教練，采用「模板驅(qū)動(dòng)結(jié)合實(shí)時(shí)反饋」的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化動(dòng)態(tài)指導(dǎo)。第一步，團(tuán)隊(duì)借助高精度動(dòng)作捕捉技術(shù)，對(duì)專業(yè)教練在乒乓球和足球教學(xué)過(guò)程中的動(dòng)作進(jìn)行系統(tǒng)采集，由此構(gòu)建了專家教練模板，作為范式基準(zhǔn)。第二步，以專業(yè)教練模板為目標(biāo)行為模型，結(jié)合 Transformer 架構(gòu)與深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，訓(xùn)練具有自主教學(xué)能力的虛擬教練智能體。第三步，在部署運(yùn)行后，系統(tǒng)持續(xù)采集虛擬教練智能體與青少年用戶的交互數(shù)據(jù)，用于虛擬教練智能體的持續(xù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)與策略微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)青少年的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)干預(yù)。研究結(jié)果表明 REVERIE 系統(tǒng)可以提供安全、有效、沉浸式且富有同理心的體育指導(dǎo)，其生物力學(xué)表現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)心率響應(yīng)與同樣運(yùn)動(dòng)類型的真實(shí)世界體育活動(dòng)相近（圖 2）。

圖 2 虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（REVERIE）概覽和生物力學(xué)評(píng)價(jià)

在隨機(jī)對(duì)照臨床研究中，共納入 227 名超重或肥胖的青少年，隨機(jī)分配至對(duì)照組、真實(shí)乒乓球運(yùn)動(dòng)組、真實(shí)足球運(yùn)動(dòng)組、VR 乒乓球運(yùn)動(dòng)組和 VR 足球運(yùn)動(dòng)組。對(duì)照組維持原有生活及運(yùn)動(dòng)習(xí)慣不變，運(yùn)動(dòng)組在學(xué)校原有的體育課基礎(chǔ)上增加每周三次相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)課程，其中真實(shí)運(yùn)動(dòng)組與虛擬運(yùn)動(dòng)組通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率的臂帶將運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度控制在相同強(qiáng)度區(qū)間，同時(shí)兩組的技能訓(xùn)練內(nèi)容保持一致。所有受試者在研究期間均接受統(tǒng)一的飲食管理，干預(yù)持續(xù)八周。結(jié)果顯示，VR 運(yùn)動(dòng)在減脂和代謝改善方面與真實(shí)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)，在運(yùn)動(dòng)能力、心理健康及運(yùn)動(dòng)意愿維持方面更具優(yōu)勢(shì)。特別是在認(rèn)知功能上，VR 運(yùn)動(dòng)組表現(xiàn)出感知能力增強(qiáng)和工作記憶準(zhǔn)確率提升。腦功能影像顯示，VR 運(yùn)動(dòng)引發(fā)更復(fù)雜、層級(jí)性強(qiáng)且具重構(gòu)潛力的腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)鍵神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間的交互，增強(qiáng)神經(jīng)效率和可塑性（圖 3 a,b）。為深入探索 VR 運(yùn)動(dòng)與真實(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)超重肥胖青少年干預(yù)的可能機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)采用多組學(xué)整合分析，發(fā)現(xiàn) VR 運(yùn)動(dòng)后腸道微生物組、代謝組和脂質(zhì)組的特征發(fā)生了顯著改變，而真實(shí)運(yùn)動(dòng)干預(yù)后則主要觀察到蛋白質(zhì)組的顯著變化。與差異多組學(xué)特征相關(guān)的腦區(qū)尤其集中在額葉、顳葉和楔前葉等，與認(rèn)知行為學(xué)指標(biāo)聯(lián)系密切（圖 3 c）。VR 運(yùn)動(dòng)后認(rèn)知功能改善的機(jī)制可能包括兩種途徑：一是通過(guò)腸道微生物群-腦軸影響認(rèn)知功能；二是蛋白與代謝物之間的相互作用，共同影響認(rèn)知功能。

圖 3 虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)對(duì)超重肥胖青少年腦活動(dòng)和功能連接的影響及與多組學(xué)特征譜之間的聯(lián)系

本研究通過(guò)構(gòu)建了全球首個(gè)基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)干預(yù)系統(tǒng) REVERIE（「靈境」），首創(chuàng)結(jié)合 Transformer 架構(gòu)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)的虛擬教練智能體，開創(chuàng)了數(shù)字化運(yùn)動(dòng)干預(yù)的新形態(tài)；完成了全球首個(gè)針對(duì)超重肥胖青少年的 VR 運(yùn)動(dòng)的 RCT，為虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)療法提供了高等級(jí)循證醫(yī)學(xué)證據(jù)；創(chuàng)新性地整合了任務(wù)態(tài)腦功能磁共振技術(shù)與多組學(xué)分析，揭示了 VR 運(yùn)動(dòng)改善認(rèn)知功能的可能神經(jīng)機(jī)制與分子機(jī)制。REVERIE 系統(tǒng)不僅為青少年肥胖干預(yù)提供了全新的「生理-心理-認(rèn)知」三位一體的數(shù)字化解決方案，也為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深度應(yīng)用提供了理論依據(jù)；不僅為肥胖干預(yù)策略提供了變革性的技術(shù)路徑，更為人工智能賦能的精準(zhǔn)化健康管理提供了實(shí)踐范式。

REVERIE 系統(tǒng)在幫助超重肥胖青少年減重的同時(shí)，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)技能的習(xí)得，為持續(xù)運(yùn)動(dòng)奠定技能基礎(chǔ)；提高神經(jīng)元效率和神經(jīng)可塑性，顯著改善記憶力、注意力及思維敏捷性；建立主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的意愿，使青少年從「被動(dòng)參與」轉(zhuǎn)向「主動(dòng)選擇」。當(dāng)技能習(xí)得、認(rèn)知改善與意愿建立形成閉環(huán)，便有望將運(yùn)動(dòng)融入日常生活，形成可持續(xù)的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，讓青少年在鍛煉中收獲健康體魄、敏捷頭腦與積極心態(tài)，從根本上破解肥胖難題，為成長(zhǎng)之路筑牢健康基石。

Nature Medicine 同期發(fā)表了題為 Virtual reality sports to tackle pediatric obesity 的述評(píng)，認(rèn)為「REVERIE 是一項(xiàng)具有里程碑意義的研究，為未來(lái)的調(diào)查奠定了基礎(chǔ)；支持將虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)作為一種創(chuàng)新、高效且安全的策略，以改善和提升體重超標(biāo)青少年的健康狀況」。

本研究共同通訊作者上海交通大學(xué)盛斌認(rèn)為：虛擬現(xiàn)實(shí)本質(zhì)上是人類在「缸中之腦」哲學(xué)假設(shè)下，對(duì)世界本源的認(rèn)知拓荒。而 REVERIE 研究已突破這一假設(shè) —VR 不再是封閉感知的模擬實(shí)驗(yàn)，更像是以數(shù)字模態(tài)對(duì)人體生理神經(jīng)系統(tǒng)的交響共鳴式干預(yù)，其對(duì)身心的影響正呈現(xiàn)出生理生化和腦科學(xué)的多維圖譜。這不僅是技術(shù)迭代，更是認(rèn)知范式的躍遷：當(dāng) VR 通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)乃至前庭系統(tǒng)的協(xié)同刺激重構(gòu)感知矩陣時(shí)，我們更需以未來(lái)視角審視：在青少年神經(jīng)可塑性高峰期，VR 干預(yù)的時(shí)長(zhǎng)閾值、頻率節(jié)律與青少年健康的交互關(guān)系，仍需通過(guò)時(shí)間維度的縱深研究去解碼。「當(dāng)前探索不過(guò)是人類在此方面探索的開篇和第一步」— 唯有持續(xù)的未來(lái)研究才能真正勾勒出數(shù)字智能時(shí)代人體身心健康的新坐標(biāo)系。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院/主動(dòng)健康戰(zhàn)略與發(fā)展研究院李華婷教授、上海交通大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院/人工智能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室盛斌教授、新加坡國(guó)立大學(xué)林水德教授、上?？萍即髮W(xué)/上海臨床研究中心曾嶸教授為本文共同通訊作者。上海體育大學(xué)研究員王繼紅、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后秦義明、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院博士生吳倩（導(dǎo)師李華婷教授）、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后曾典、上?？萍即髮W(xué)/上海臨床研究中心高笑靜博士、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院博士生王沁儀（導(dǎo)師李華婷教授）、上海體育大學(xué)副教授李震、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院研究員倪岳瓊、上海體育大學(xué)博士生李灝萱（導(dǎo)師盛斌教授）、俄亥俄州立大學(xué)教授張平和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院助理研究員郭婧怡為本文共同第一作者。此外，本研究還得到了上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院賈偉平教授、清華大學(xué)副教務(wù)長(zhǎng)及醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)黃天蔭教授及團(tuán)隊(duì)、哈佛大學(xué)陳曾熙公共衛(wèi)生學(xué)院 Felipe Fregni 教授、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施主任吳家睿教授、中國(guó)科學(xué)院軟件研究所吳恩華教授、清華大學(xué)馬新東教授、香港大學(xué)徐愛(ài)民教授、溫州醫(yī)科大學(xué)黃志鋒教授、悉尼大學(xué) Jinman Kim 教授、上海體育大學(xué)黃筱君助理研究員、上海交通大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院畢磊副教授、上海科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院沈定剛教授及團(tuán)隊(duì)、上海市寶山區(qū)教育局、上海女足及中國(guó)乒乓球?qū)W院等多學(xué)科專家和科研團(tuán)隊(duì)的支持。該研究得到教育信息化教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐共同體項(xiàng)目和衛(wèi)健委科技創(chuàng)新 2030-國(guó)家科技重大專項(xiàng)等資助。

圖片版權(quán)：Nature Medicine 、圖蟲創(chuàng)意

轉(zhuǎn)載自丁香學(xué)術(shù)