針對具第二型糖尿病風險之青少年的適應性 AI 虛擬實境運動系統隨機對照試驗
主持人：接下來為我們演講的講者是吳倩（Qian Wu，如果我發音有誤請糾正我），她是一位來自上海的博士候選人。我們今天要聽到的內容非常有趣，這是一項針對具有第二型糖尿病風險的青少年，所進行的 AI 適應性介入措施的隨機對照試驗。
吳倩：好的，謝謝教授親切的介紹。大家午安，我是來自上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院（以及上海交通大學主動健康戰略與發展研究院、上海市糖尿病研究所）的吳倩。今天，我演講的主題不會聚焦於種族、地區或國家之間的平等問題，而是要關注那些被現有介入措施所遺漏的族群。因此，我今天的主題是「針對具第二型糖尿病風險之青少年的適應性 AI 虛擬實境（VR）運動系統隨機對照試驗」。我沒有任何利益衝突需要聲明。
青少年肥胖與運動介入的困境
讓我從背景開始說起。超重與肥胖會增加青少年罹患第二型糖尿病的風險。在過去三十年裡，全球青少年超重與肥胖的盛行率翻了一倍（從 1990 年的 8.8% 上升至 2021 年的 18.1%）。而在中國，青少年超重與肥胖的盛行率在 2020 年達到了 19%（其中超重佔 11.1%，肥胖佔 7.9%），與 2015 年相比增加了 67%。與此同時，有報告指出，高達 81% 的青少年未能達到世界衛生組織（WHO）的體力活動指南要求，也就是每天至少進行一小時的中高強度體力活動。
運動是治療青少年肥胖的第一線療法。因為這些族群正處於快速生長發育的時期，所以必須確保他們有充足的能量攝取。另一個重要的原因是，運動還可以促進他們的骨骼與肌肉發育，並培養終生運動的習慣，這對於預防他們成年後的肥胖至關重要。
既然運動有這麼多好處，為什麼這些青少年卻不願意運動呢？我認為「缺乏動機」是主要原因。現有的運動介入措施往往是「一體適用（one-size-fits-all）」的計畫，這意味著它們總是缺乏個人化設計與同理心。此外，心理負擔（如對體型的焦慮、難以融入團體活動）以及實際的障礙（如繁重的學業壓力、缺乏運動設施），也是運動介入所面臨的挑戰。
虛擬實境（VR）在醫療與運動中的潛力與限制
然而，運動介入並不等於枯燥的鍛鍊。這裡就衍生出一個問題：如何讓運動變得有趣，並鼓勵長期的依從性？我們都知道 Wii Sports 是第一款體感電子遊戲，從那時起，虛擬實境（VR）遊戲逐漸興起。
但是，這種類型的 VR 運動有其侷限性。一方面，它們是缺乏個別化回饋的「一體適用」設計；另一方面，它們提供了充足的娛樂性，卻缺乏足夠的運動量。如果你曾經玩過，你就會知道，你甚至只需要朝著正確的方向輕輕揮手就能得分，而你的心率可能根本達不到目標的運動強度。
目前，VR 在醫療領域已經有許多應用，例如治療精神疾病、神經與物理復健、認知訓練以及臨床模擬訓練等。但在這些應用中，一個共同的問題是：缺乏針對使用者個人特徵的精確適應能力。因此，我們提出了一個問題：我們能否開發一套 VR 運動系統，能夠實現個人化適應，以治療超重與肥胖的青少年？
REVERIE 系統的開發與技術突破
我們的研究計畫名為 REVERIE，代表「真實運動與 VR 運動教育研究（Real Exercise and VR Exercise Research in Education）」。為了給它取個中文名字，我們從同樣畢業於我們大學、被廣泛譽為中國航太之父的錢學森教授（1911-2009）那裡獲得了靈感。在 1990 年，他首次將 Virtual Reality 翻譯為中文的「靈境」，這真的是一個非常棒的名字。我們從他的手稿中可以看到，他認為靈境技術可能會極大地擴展人類大腦感知的範圍。三十年過去了，VR 技術正逐漸朝著具備高度虛實融合與人機互動的理想型態邁進。
REVERIE 系統擁有三項技術突破。首先，它透過精確的動作捕捉進行專業的運動建模，以建構標準化的模板（結合了中國乒乓球學院與上海女足的專業教練團隊）。接著，我們生成了由深度強化學習（Deep Reinforcement Learning）驅動的虛擬教練代理（Virtual coach agents）。最後，它透過即時的互動回饋與自適應的迴圈微調，實現了個人化最佳化。REVERIE 系統的核心，就是這套基於深度強化學習的「模板驅動與回饋導向」個人化運動指導系統。
在建立 REVERIE 系統後，我們進行了全面的技術驗證。我們可以看到，REVERIE 系統提供了沉浸式的體驗、較低的 3D 暈眩感（Cybersickness）（這歸功於優化的渲染模組），並且在 REVERIE 與真實世界運動之間實現了生物力學表現的等效性（如擊球加速度、關節角度誤差與地面反作用力的高度一致性），同時也具備了 AI 與人類的互動性。
這是我們 REVERIE 乒乓球的展示影片，分別有第一人稱和第三人稱視角。使用者可以選擇漸進式的訓練課程，範圍涵蓋初級、中級到高級。我們可以看到，在使用這套系統時，青少年可以透過頭戴式裝置的揚聲器聽到即時的擊球聲，從而獲得沉浸式的訓練體驗。
這是 REVERIE 足球的展示影片，同樣有第一人稱和第三人稱視角。我們有傳球、射門和頭槌訓練。這是頭槌訓練的展示。
隨機對照試驗（RCT）設計與執行
接下來，我將介紹我們的試驗設計，以及為現有 VR 介入措施提供高品質隨機對照試驗（RCT）驗證的過程。2023 年，《Nature Medicine》發表了一篇名為 RATE-VR 報告指南的通訊文章，其中提到，儘管 VR 研究激增，但仍存在一些侷限性。例如：樣本量小且不一致性高、缺乏嚴格的對照組與標準化報告，以及在技術和方法上面臨安全性與可行性的挑戰。該指南的目的，就是為了標準化 VR 介入措施早期臨床試驗的報告。
根據該指南，我們設計了首個針對體重過重青少年的 VR 運動隨機對照試驗。經過篩選後，240 名年齡介於 11 至 17 歲的青少年被隨機分配到三個組別：實體運動組、VR 運動組（REVERIE 系統）以及對照組（各運動組再細分為乒乓球與足球子組，每組 48 人）。
運動介入組的參與者每週額外參加三堂體育課，而對照組則維持常規的體育課。介入期持續 8 週，並有額外 6 個月的追蹤期。在介入期間，我們為青少年量身定制了均衡的飲食，以滿足他們的生長需求。值得注意的是，實體運動組和 VR 運動組的教學內容是完全一致的。例如，如果實體足球組在教射門，VR 足球組也會在 VR 場景中教射門。
高品質的 RCT 仰賴嚴格的執行。在運動強度方面，我們使用即時無線心率監測，以確保 VR 和實體運動的運動強度達到等效水準。我們的教練可以使用平板電腦準確監測他們的即時心率，並精確地將參與者的運動強度維持在最大心率的 60% 到 70% 之間，也就是中等至高強度。
在飲食管理方面，推薦的食譜是由營養師精確計算熱量並準備的。午餐由學校食堂提供，而早餐和晚餐則由他們的家人根據推薦食譜來安排。
我們在介入開始和結束時進行了多維度的評估，包括代謝健康、體能、心理狀態、大腦健康以及多體學（Multi-omics）。（評估工具包含匹茲堡睡眠品質量表 PSQI、羅森伯格自尊量表 RSES、一般自我效能量表 GSES、荷蘭飲食行為問卷 DEBQ 以及 WHO-5 幸福指標等。）我必須特別提一下，我們非常關注大腦健康，我們評估了嗅覺任務的行為範式以及功能性磁振造影（fMRI）。
試驗結果：代謝、體能與心理健康
讓我們來看看 RCT 的結果。主要評估終點為脂肪量（Fat mass）的變化。VR 運動能有效減少脂肪量達 4.28 公斤，但與實體運動組相比沒有顯著差異。在次要結果方面，我們在 VR 和實體運動組中都發現了除脂體重（Lean mass）的增加，以及肝指數（如 GGT）和低密度脂蛋白（LDL）膽固醇濃度的下降（體重與三酸甘油酯 TG 亦顯著下降）。這些結果顯示，VR 具有與實體運動相似的代謝益處。
關於體能方面，兩個運動組在 8 週的介入後都顯示出體能的改善（包括坐姿體前彎、30秒坐站測試、立定跳遠與一分鐘跳繩等項目）。而在心理健康方面，VR 和實體運動組在 8 週介入後都顯示出心理幸福感的提升，包括自我效能、自尊等幾項指標（以及 WHO-5 幸福指標、睡眠品質與飲食習慣的改善）。
但最重要的是我們可以看到，VR 運動展現了顯著的運動意願（Sports willingness），並且這種意願在 6 個月的追蹤期內依然維持。這些結果表明，沉浸式、個人化且具同理心的 VR 介入措施創造了一個正向的回饋迴圈。
試驗結果：認知功能與神經機制
關於認知功能，讓我們看看介入後嗅覺功能和工作記憶範式的變化。在嗅覺敏感度和氣味辨識度這兩個認知功能的敏感指標上，VR 運動的表現優於實體運動。
工作記憶範式被稱為 n-back 任務。參與者被要求記住字母，我們可以看到，與實體運動相比，VR 顯著提高了準確率並縮短了反應時間（具體而言，VR 組的 2-back 準確率顯著提升，且 0-back、1-back 與 2-back 的反應時間皆顯著縮短）。這些結果表明，與實體運動相比，VR 展現了更優越的認知增強效果。
那麼，VR 運動增強認知的潛在機制是什麼？我們使用 fMRI 評估了工作記憶任務期間的大腦活化模式。在 VR 運動組中，我們主要觀察到額葉區域（Frontal regions）和扣帶回區域（Cingulate areas）的活化降低，這暗示了神經效率（Neural efficiency）的提升。
我們進一步分析了功能性連結（Functional connectivity）。我們可以看到，實體運動組的功能性連結變化非常有限。然而，VR 運動對工作記憶處理、神經可塑性（Neuroplasticity）和大腦功能重組產生了獨特的影響。（在低認知負荷下，額葉執行區域之間出現選擇性脫離；在增加工作記憶負荷時，額頂葉任務控制網路 FPTC 發生了顯著重組，並系統性地調節了視覺-執行整合與邊緣系統的連結。）
多體學（Multi-omics）與腸腦軸分析
我們進一步研究了兩個運動組的多體學變化。在實體運動介入前後，蛋白質體學（Proteomic）的變化是顯著的。但對於 REVERIE 系統，在介入前後，宏基因體學（Metagenomic）、代謝體學（Metabolomic）和脂質體學（Lipidomic）的特徵都發生了顯著改變，而最顯著的差異在於宏基因體學。
我們進一步調查了多體學與認知的關聯。我們發現，運動誘導的多體學特徵與認知增強之間的關聯，在 REVERIE 運動組中明顯強於實體運動組。REVERIE 運動組中多體學的改變與大腦區域變化之間的相關性，集中在與認知相關的區域，包括額葉、顳葉和楔前葉（Precuneus）。
透過網路分析，我們提出了 VR 運動影響認知功能的兩個潛在機制。一個是腸腦軸（Gut-brain axis）：我們可以看到，由 VR 驅動的迷走神經張力（Vagal nerve tone）增加、腸道微生物（如大腸桿菌、唾液鏈球菌等）以及循環代謝物（如 L-乳酸、牛磺酸等）之間的交互作用，可能共同影響了大腦認知。另一個機制則是循環分子交互作用（Circulating molecular interactions），這也可能影響大腦認知。
總結與未來展望
總結來說，我們開發了一套 AI VR 運動系統 REVERIE，其特色在於透過 VR 強化學習提供個人化的運動指導，並具備與真實世界實體運動相當的生物力學表現。我們在體重過重的青少年中進行了首個 RCT，證明該系統能產生多維度的益處，包括代謝、認知（例如反應速度提升了 21.25%）、體能和幸福感的改善。透過機制探索，我們發現 VR 運動透過腸腦軸和循環分子交互作用這兩個潛在機制，增強了神經效率和神經可塑性。
因此，我們可以得出結論：VR 運動可能是解決青少年肥胖問題的一種全新解決方案。（本研究成果已發表於 2025 年的《Nature Medicine》期刊。）
在社論中，WHO 全球體力活動指南編輯委員會副主席 Ortega 教授表示，REVERIE 是一項具里程碑意義的研究，為未來 AI 驅動的 VR 運動技術研究奠定了基礎。此外，沃爾夫醫學獎得主 Daniel Drucker 教授也評論道，REVERIE 能夠增強青少年的健康。
REVERIE 的核心是將提供個別化指導的「個人化虛擬教練」與「沉浸式互動訓練場景」結合在一起。如果說 AI 模仿了人性，那麼 VR 則建構了世界。當 AI 遇上 VR，它可以解鎖無盡的可能性，例如應用於認知療法、慢性病管理等等。
在結束之前，我要向我的指導教授李華婷（Huating Li）教授表達最誠摯的感謝，感謝她在整個研究過程中給予的指導。我也要衷心感謝賈偉平（Weiping Jia）教授和吳家睿（Jiarui Wu）教授給予的寶貴支持。此外，我要感謝我們所有的合作者和跨學科研究團隊、參與的學校和家庭，特別要感謝所有參與這項研究的青少年們。非常感謝大家的聆聽。
主持人：謝謝你。這是一場非常精彩的演講。我認為這非常有趣，而且是同類研究中的首創。所以我和 Corey 剛剛在想，隨著你們 VR 技術的發展，這是否意味著現代健身房的終結了呢？