青少年肥胖已成为全球性的公共健康危机，患病率迅速上升。近日，上海市第六人民医院发布最新成果，创建了全球首个面向超重或肥胖青少年体重控制的虚拟现实（VR）智能运动干预系统，破解VR运动在体重管理与认知健康重塑中的作用机制。 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口增加了约3倍。通过科学运动实现减重，使青少年更加健康阳光，培养可持续的运动习惯，是全球公共卫生领域面临的重大挑战。为此，上海交通大学医学院附属第六人民医院李华婷教授团队、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，创建了全球首个面向超重或肥胖青少年体重控制的虚拟现实（VR）智能运动干预系统REVERIE（Real-world Exercise and VR-based Exercise Research In Education），中文名为“灵境”。 该系统创新性地利用了深度强化学习驱动且基于Transformer架构的虚拟教练孪生智能体，并通过迭代用户交互进行优化，可以提供安全、沉浸式、富有同理心且有效的运动指导，其生物力学表现和运动心率响应与同样运动类型的真实世界运动无显著差异。 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。本研究发表在《自然医学》（Nature Medicine）。 青春期肥胖不仅显著增加心血管代谢风险，还可能导致持久性认知功能下降。尽管体育锻炼是首选干预方式，但运动动机不足、同伴压力及缺乏个性化指导限制了青少年的运动参与，开发安全、个性化且富有同理心的运动干预手段尤为重要。 早在1990年，享誉世界的我国科学家钱学森写信给计算机领域专家汪成为，建议将Virtual Reality翻译成“灵境”，1993年，钱学森再次致信汪成为，认为该技术具有变革性，“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”。正如计算机图形学之父伊万·萨瑟兰（Ivan Sutherland）1960年代描绘的“终极显示”世界，虚拟现实正逐步迈向一个高度融合虚拟与现实、实现深度人机交互的理想空间。 技术愿景的落地正在医学领域催生革命性应用，例如疼痛管理、康复训练、心理疾病治疗，VR已展现出通过精准模拟实现行为干预的巨大潜力。虚拟现实通过将用户沉浸于一个由计算机生成的交互式环境，为肥胖运动干预提供新的可能性。然而，当前大多数VR运动干预系统仍采用“一刀切”的设计，缺乏个性化的模式不仅影响实际干预效果，甚至可能带来运动挫败感、身体负担加重等负面影响。此外，全球范围内关于VR干预有效性的高质量随机对照试验仍较稀缺，制约了其在临床实践中的广泛应用与科学评估。 本研究开发了全球首个专为青少年设计的虚拟现实运动系统——REVERIE，为致敬钱学森，取中文名“灵境”。研究团队创新提出融合“模板驱动”与“反馈导向”的深度强化学习策略，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，构建专家教练模板。 研究结果表明REVERIE系统可提供安全、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。 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。尤其在认知功能上，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运动相较于传统真实运动在认知增强方面涉及的不同神经机制，揭示了网络交互的层级化组织模式，从简单任务时局限于额顶任务控制网络内部的调节，到复杂任务时涉及更广泛的跨网络交互，VR运动干预能够显著影响工作记忆加工，提高神经元效率和神经可塑性。VR运动后，肠道微生物组、代谢组和脂质组的特征发生显著改变，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。 本研究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，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。 此外，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，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。 《自然医学》同期发表述评，认为“REVERIE是一项具有里程碑意义的研究，虚拟现实运动作为一种创新、高效且安全的策略，可改善和提升体重超标青少年的健康状况”。 本研究还得到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。该研究得到教育部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。
