Nat Med：上海交大/上體/上科大等團隊首次揭示 VR 運動在體重管理與認知健康重塑中的作用機制

「肥胖，正在悄悄改變青少年的未來。」

近年來，青少年肥胖問題日益嚴峻，已演變為一場全球公共衛生危機。據報道從 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增加了約 3 倍。通過科學的運動方式幫助青少年健康減重、更加陽光、培養終身受益的運動習慣，已成為當前全球公共衛生領域的重要議題。

2025 年 6 月 23 日，上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院/主動健康戰略與發展研究院李華婷教授團隊、上海交通大學計算機學院/人工智能教育部重點實驗室盛斌教授團隊通過醫工交叉合作研究，攜手上海體育大學王繼紅研究員團隊、上?？萍即髮W/上海臨床研究中心曾嶸教授團隊及新加坡國立大學林水德教授團隊，在 Nature Medicine 發表研究論文

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

研究團隊完成了全球首例聚焦超重肥胖青少年群體的虛擬現實運動干預隨機對照試驗（RCT）。該研究創新性采用多維度評估體系，并在傳統對照設計基礎上增設等強度真實運動參照組，系統解析了 VR 運動干預對超重肥胖青少年身-心-腦健康的復合效應，不僅涵蓋代謝指標，還包括了身體素質、心理健康及運動意愿等維度，并精準評估了干預措施對青少年認知功能的潛在影響（圖 1）。

圖 1：REVERIE（「靈境」）運動系統賦能青少年肥胖的干預

青少年肥胖問題正持續加劇，不僅顯著增加代謝性疾病風險，還可能引發持久性的認知功能下降。雖然運動干預是最有效的手段，但青少年普遍存在鍛煉意愿低、社交障礙和缺乏專業指導等現實困境，亟需建立更具針對性且人性化的運動干預體系。

錢學森先生早在 1990 年代就將 Virtual Reality 精妙地譯為「靈境」，并預言這項技術將「它能大大擴展人腦的知覺，因而使人進入前所未有的新天地，新的歷史時代要開始了」。這與「計算機圖形學之父」伊萬 · 薩瑟蘭 60 年代提出的「終極顯示」理念遙相呼應。當下 VR 技術雖已在醫療領域初現成效、展現出干預潛力，但多缺乏個性化反饋，且缺乏高質量驗證研究，限制其應用。

基于此，團隊開發了全球首個專為青少年設計的虛擬現實運動系統 REVERIE，融合沉浸體驗與智能教練，采用「模板驅動結合實時反饋」的深度強化學習策略，實現個性化動態指導。第一步，團隊借助高精度動作捕捉技術，對專業教練在乒乓球和足球教學過程中的動作進行系統采集，由此構建了專家教練模板，作為范式基準。第二步，以專業教練模板為目標行為模型，結合 Transformer 架構與深度強化學習技術，訓練具有自主教學能力的虛擬教練智能體。第三步，在部署運行后，系統持續采集虛擬教練智能體與青少年用戶的交互數據，用于虛擬教練智能體的持續強化學習與策略微調，從而實現針對青少年的個性化運動干預。研究結果表明 REVERIE 系統可以提供安全、有效、沉浸式且富有同理心的體育指導，其生物力學表現與運動心率響應與同樣運動類型的真實世界體育活動相近（圖 2）。

圖 2 虛擬現實運動系統（REVERIE）概覽和生物力學評價

在隨機對照臨床研究中，共納入 227 名超重或肥胖的青少年，隨機分配至對照組、真實乒乓球運動組、真實足球運動組、VR 乒乓球運動組和 VR 足球運動組。對照組維持原有生活及運動習慣不變，運動組在學校原有的體育課基礎上增加每周三次相應的運動干預課程，其中真實運動組與虛擬運動組通過實時監測心率的臂帶將運動強度控制在相同強度區間，同時兩組的技能訓練內容保持一致。所有受試者在研究期間均接受統一的飲食管理，干預持續八周。結果顯示，VR 運動在減脂和代謝改善方面與真實運動相當，在運動能力、心理健康及運動意愿維持方面更具優勢。特別是在認知功能上，VR 運動組表現出感知能力增強和工作記憶準確率提升。腦功能影像顯示，VR 運動引發更復雜、層級性強且具重構潛力的腦網絡活動，動態調節關鍵神經網絡間的交互，增強神經效率和可塑性（圖 3 a,b）。為深入探索 VR 運動與真實運動對超重肥胖青少年干預的可能機制，研究團隊采用多組學整合分析，發現 VR 運動后腸道微生物組、代謝組和脂質組的特征發生了顯著改變，而真實運動干預后則主要觀察到蛋白質組的顯著變化。與差異多組學特征相關的腦區尤其集中在額葉、顳葉和楔前葉等，與認知行為學指標聯系密切（圖 3 c）。VR 運動后認知功能改善的機制可能包括兩種途徑：一是通過腸道微生物群-腦軸影響認知功能；二是蛋白與代謝物之間的相互作用，共同影響認知功能。

圖 3 虛擬現實運動對超重肥胖青少年腦活動和功能連接的影響及與多組學特征譜之間的聯系

本研究通過構建了全球首個基于深度強化學習的虛擬現實運動干預系統 REVERIE（「靈境」），首創結合 Transformer 架構與強化學習的虛擬教練智能體，開創了數字化運動干預的新形態；完成了全球首個針對超重肥胖青少年的 VR 運動的 RCT，為虛擬現實運動療法提供了高等級循證醫學證據；創新性地整合了任務態腦功能磁共振技術與多組學分析，揭示了 VR 運動改善認知功能的可能神經機制與分子機制。REVERIE 系統不僅為青少年肥胖干預提供了全新的「生理-心理-認知」三位一體的數字化解決方案，也為虛擬現實技術在醫學領域的深度應用提供了理論依據；不僅為肥胖干預策略提供了變革性的技術路徑，更為人工智能賦能的精準化健康管理提供了實踐范式。

REVERIE 系統在幫助超重肥胖青少年減重的同時，促進運動技能的習得，為持續運動奠定技能基礎；提高神經元效率和神經可塑性，顯著改善記憶力、注意力及思維敏捷性；建立主動運動的意愿，使青少年從「被動參與」轉向「主動選擇」。當技能習得、認知改善與意愿建立形成閉環，便有望將運動融入日常生活，形成可持續的運動習慣，讓青少年在鍛煉中收獲健康體魄、敏捷頭腦與積極心態，從根本上破解肥胖難題，為成長之路筑牢健康基石。

Nature Medicine 同期發表了題為 Virtual reality sports to tackle pediatric obesity 的述評，認為「REVERIE 是一項具有里程碑意義的研究，為未來的調查奠定了基礎；支持將虛擬現實運動作為一種創新、高效且安全的策略，以改善和提升體重超標青少年的健康狀況」。

本研究共同通訊作者上海交通大學盛斌認為：虛擬現實本質上是人類在「缸中之腦」哲學假設下，對世界本源的認知拓荒。而 REVERIE 研究已突破這一假設 —VR 不再是封閉感知的模擬實驗，更像是以數字模態對人體生理神經系統的交響共鳴式干預，其對身心的影響正呈現出生理生化和腦科學的多維圖譜。這不僅是技術迭代，更是認知范式的躍遷：當 VR 通過視覺、觸覺乃至前庭系統的協同刺激重構感知矩陣時，我們更需以未來視角審視：在青少年神經可塑性高峰期，VR 干預的時長閾值、頻率節律與青少年健康的交互關系，仍需通過時間維度的縱深研究去解碼?！府斍疤剿鞑贿^是人類在此方面探索的開篇和第一步」— 唯有持續的未來研究才能真正勾勒出數字智能時代人體身心健康的新坐標系。

上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院/主動健康戰略與發展研究院李華婷教授、上海交通大學計算機學院/人工智能教育部重點實驗室盛斌教授、新加坡國立大學林水德教授、上海科技大學/上海臨床研究中心曾嶸教授為本文共同通訊作者。上海體育大學研究員王繼紅、清華大學醫學院博士后秦義明、上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院博士生吳倩（導師李華婷教授）、清華大學醫學院博士后曾典、上海科技大學/上海臨床研究中心高笑靜博士、上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院博士生王沁儀（導師李華婷教授）、上海體育大學副教授李震、上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院研究員倪岳瓊、上海體育大學博士生李灝萱（導師盛斌教授）、俄亥俄州立大學教授張平和上海交通大學醫學院附屬第六人民醫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醫學院附屬第六人民醫院賈偉平教授、清華大學副教務長及醫學院院長黃天蔭教授及團隊、哈佛大學陳曾熙公共衛生學院 Felipe Fregni 教授、國家蛋白質科學研究（上海）設施主任吳家睿教授、中國科學院軟件研究所吳恩華教授、清華大學馬新東教授、香港大學徐愛民教授、溫州醫科大學黃志鋒教授、悉尼大學 Jinman Kim 教授、上海體育大學黃筱君助理研究員、上海交通大學轉化醫學研究院畢磊副教授、上?？萍即髮W生物醫學工程學院沈定剛教授及團隊、上海市寶山區教育局、上海女足及中國乒乓球學院等多學科專家和科研團隊的支持。該研究得到教育信息化教學應用實踐共同體項目和衛健委科技創新 2030-國家科技重大專項等資助。

圖片版權：Nature Medicine 、圖蟲創意

轉載自丁香學術