Nat Med：上海交大/上体/上科大等团队首次揭示 VR 运动在体重管理与认知健康重塑中的作用机制

「肥胖，正在悄悄改变青少年的未来。」

近年来，青少年肥胖问题日益严峻，已演变为一场全球公共卫生危机。据报道从 1990 年到 2022 年间，全球 5 岁至 19 岁儿童和青少年中的肥胖人数增加了约 3 倍。通过科学的运动方式帮助青少年健康减重、更加阳光、培养终身受益的运动习惯，已成为当前全球公共卫生领域的重要议题。

2025 年 6 月 23 日，上海交通大学医学院附属第六人民医院/主动健康战略与发展研究院李华婷教授团队、上海交通大学计算机学院/人工智能教育部重点实验室盛斌教授团队通过医工交叉合作研究，携手上海体育大学王继红研究员团队、上海科技大学/上海临床研究中心曾嵘教授团队及新加坡国立大学林水德教授团队，在 Nature Medicine 发表研究论文

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

研究团队完成了全球首例聚焦超重肥胖青少年群体的虚拟现实运动干预随机对照试验（RCT）。该研究创新性采用多维度评估体系，并在传统对照设计基础上增设等强度真实运动参照组，系统解析了 VR 运动干预对超重肥胖青少年身-心-脑健康的复合效应，不仅涵盖代谢指标，还包括了身体素质、心理健康及运动意愿等维度，并精准评估了干预措施对青少年认知功能的潜在影响（图 1）。

图 1：REVERIE（「灵境」）运动系统赋能青少年肥胖的干预

青少年肥胖问题正持续加剧，不仅显著增加代谢性疾病风险，还可能引发持久性的认知功能下降。虽然运动干预是最有效的手段，但青少年普遍存在锻炼意愿低、社交障碍和缺乏专业指导等现实困境，亟需建立更具针对性且人性化的运动干预体系。

钱学森先生早在 1990 年代就将 Virtual Reality 精妙地译为「灵境」，并预言这项技术将「它能大大扩展人脑的知觉，因而使人进入前所未有的新天地，新的历史时代要开始了」。这与「计算机图形学之父」伊万 · 萨瑟兰 60 年代提出的「终极显示」理念遥相呼应。当下 VR 技术虽已在医疗领域初现成效、展现出干预潜力，但多缺乏个性化反馈，且缺乏高质量验证研究，限制其应用。

基于此，团队开发了全球首个专为青少年设计的虚拟现实运动系统 REVERIE，融合沉浸体验与智能教练，采用「模板驱动结合实时反馈」的深度强化学习策略，实现个性化动态指导。第一步，团队借助高精度动作捕捉技术，对专业教练在乒乓球和足球教学过程中的动作进行系统采集，由此构建了专家教练模板，作为范式基准。第二步，以专业教练模板为目标行为模型，结合 Transformer 架构与深度强化学习技术，训练具有自主教学能力的虚拟教练智能体。第三步，在部署运行后，系统持续采集虚拟教练智能体与青少年用户的交互数据，用于虚拟教练智能体的持续强化学习与策略微调，从而实现针对青少年的个性化运动干预。研究结果表明 REVERIE 系统可以提供安全、有效、沉浸式且富有同理心的体育指导，其生物力学表现与运动心率响应与同样运动类型的真实世界体育活动相近（图 2）。

图 2 虚拟现实运动系统（REVERIE）概览和生物力学评价

在随机对照临床研究中，共纳入 227 名超重或肥胖的青少年，随机分配至对照组、真实乒乓球运动组、真实足球运动组、VR 乒乓球运动组和 VR 足球运动组。对照组维持原有生活及运动习惯不变，运动组在学校原有的体育课基础上增加每周三次相应的运动干预课程，其中真实运动组与虚拟运动组通过实时监测心率的臂带将运动强度控制在相同强度区间，同时两组的技能训练内容保持一致。所有受试者在研究期间均接受统一的饮食管理，干预持续八周。结果显示，VR 运动在减脂和代谢改善方面与真实运动相当，在运动能力、心理健康及运动意愿维持方面更具优势。特别是在认知功能上，VR 运动组表现出感知能力增强和工作记忆准确率提升。脑功能影像显示，VR 运动引发更复杂、层级性强且具重构潜力的脑网络活动，动态调节关键神经网络间的交互，增强神经效率和可塑性（图 3 a,b）。为深入探索 VR 运动与真实运动对超重肥胖青少年干预的可能机制，研究团队采用多组学整合分析，发现 VR 运动后肠道微生物组、代谢组和脂质组的特征发生了显著改变，而真实运动干预后则主要观察到蛋白质组的显著变化。与差异多组学特征相关的脑区尤其集中在额叶、颞叶和楔前叶等，与认知行为学指标联系密切（图 3 c）。VR 运动后认知功能改善的机制可能包括两种途径：一是通过肠道微生物群-脑轴影响认知功能；二是蛋白与代谢物之间的相互作用，共同影响认知功能。

图 3 虚拟现实运动对超重肥胖青少年脑活动和功能连接的影响及与多组学特征谱之间的联系

本研究通过构建了全球首个基于深度强化学习的虚拟现实运动干预系统 REVERIE（「灵境」），首创结合 Transformer 架构与强化学习的虚拟教练智能体，开创了数字化运动干预的新形态；完成了全球首个针对超重肥胖青少年的 VR 运动的 RCT，为虚拟现实运动疗法提供了高等级循证医学证据；创新性地整合了任务态脑功能磁共振技术与多组学分析，揭示了 VR 运动改善认知功能的可能神经机制与分子机制。REVERIE 系统不仅为青少年肥胖干预提供了全新的「生理-心理-认知」三位一体的数字化解决方案，也为虚拟现实技术在医学领域的深度应用提供了理论依据；不仅为肥胖干预策略提供了变革性的技术路径，更为人工智能赋能的精准化健康管理提供了实践范式。

REVERIE 系统在帮助超重肥胖青少年减重的同时，促进运动技能的习得，为持续运动奠定技能基础；提高神经元效率和神经可塑性，显著改善记忆力、注意力及思维敏捷性；建立主动运动的意愿，使青少年从「被动参与」转向「主动选择」。当技能习得、认知改善与意愿建立形成闭环，便有望将运动融入日常生活，形成可持续的运动习惯，让青少年在锻炼中收获健康体魄、敏捷头脑与积极心态，从根本上破解肥胖难题，为成长之路筑牢健康基石。

Nature Medicine 同期发表了题为 Virtual reality sports to tackle pediatric obesity 的述评，认为「REVERIE 是一项具有里程碑意义的研究，为未来的调查奠定了基础；支持将虚拟现实运动作为一种创新、高效且安全的策略，以改善和提升体重超标青少年的健康状况」。

本研究共同通讯作者上海交通大学盛斌认为：虚拟现实本质上是人类在「缸中之脑」哲学假设下，对世界本源的认知拓荒。而 REVERIE 研究已突破这一假设 —VR 不再是封闭感知的模拟实验，更像是以数字模态对人体生理神经系统的交响共鸣式干预，其对身心的影响正呈现出生理生化和脑科学的多维图谱。这不仅是技术迭代，更是认知范式的跃迁：当 VR 通过视觉、触觉乃至前庭系统的协同刺激重构感知矩阵时，我们更需以未来视角审视：在青少年神经可塑性高峰期，VR 干预的时长阈值、频率节律与青少年健康的交互关系，仍需通过时间维度的纵深研究去解码。「当前探索不过是人类在此方面探索的开篇和第一步」— 唯有持续的未来研究才能真正勾勒出数字智能时代人体身心健康的新坐标系。

上海交通大学医学院附属第六人民医院/主动健康战略与发展研究院李华婷教授、上海交通大学计算机学院/人工智能教育部重点实验室盛斌教授、新加坡国立大学林水德教授、上海科技大学/上海临床研究中心曾嵘教授为本文共同通讯作者。上海体育大学研究员王继红、清华大学医学院博士后秦义明、上海交通大学医学院附属第六人民医院博士生吴倩（导师李华婷教授）、清华大学医学院博士后曾典、上海科技大学/上海临床研究中心高笑静博士、上海交通大学医学院附属第六人民医院博士生王沁仪（导师李华婷教授）、上海体育大学副教授李震、上海交通大学医学院附属第六人民医院研究员倪岳琼、上海体育大学博士生李灏萱（导师盛斌教授）、俄亥俄州立大学教授张平和上海交通大学医学院附属第六人民医院助理研究员郭婧怡为本文共同第一作者。此外，本研究还得到了上海交通大学医学院附属第六人民医院贾伟平教授、清华大学副教务长及医学院院长黄天荫教授及团队、哈佛大学陈曾熙公共卫生学院 Felipe Fregni 教授、国家蛋白质科学研究（上海）设施主任吴家睿教授、中国科学院软件研究所吴恩华教授、清华大学马新东教授、香港大学徐爱民教授、温州医科大学黄志锋教授、悉尼大学 Jinman Kim 教授、上海体育大学黄筱君助理研究员、上海交通大学转化医学研究院毕磊副教授、上海科技大学生物医学工程学院沈定刚教授及团队、上海市宝山区教育局、上海女足及中国乒乓球学院等多学科专家和科研团队的支持。该研究得到教育信息化教学应用实践共同体项目和卫健委科技创新 2030-国家科技重大专项等资助。

图片版权：Nature Medicine 、图虫创意

转载自丁香学术