銭学森の「霊界」予言が現実に！上海交通大学、清華大学などのチームが世界初のVRスポーツ介入システム「REVERIE」を開発し、青少年の脳・心身の健康を再構築
近年、青少年の肥満問題は深刻化し、世界的な公衆衛生上の危機に発展しています。1990年から2022年にかけて、世界中で5歳から19歳までの肥満児・青少年の数は約3倍に増加したとの報告があります。科学的な運動方法を通じて、若者が健康的に減量し、より明るくなり、生涯にわたる運動習慣を身に付けることを支援することは、現在の世界の公衆衛生分野における重要な課題となっています。
私は現在、賈衛平院士のチーム、そしてスポーツ科学、臨床医学、心理学、脳科学といった分野の専門家からなる多分野にわたるチームと緊密に協力し、将来、人々の健康を知的かつ精緻に管理するための「精神世界」システムの開発に取り組んでいます。人工知能と仮想現実を用いて、長年科学界を悩ませてきた難題に答えたいと考えています。現実世界の運動と仮想世界（メタバース）の VR スポーツは人間の心身の健康にどのような影響を与えるのでしょうか?これは、上海交通大学の盛斌教授が2022年3月にThe Paperの独占インタビューで対外的に明らかにした研究成果だ。3年後、この成果はNature Medicine誌に掲載された。しかし、数年を要したこの研究の背後には、実は35年にわたる記憶と夢の遺産があった。
2025年6月23日、上海交通大学医学部/積極的健康戦略開発研究所付属上海第六人民病院の李華亭教授チームと上海交通大学コンピュータ科学技術学院/教育部人工知能重点実験室の盛斌教授チーム、上海体育大学の王基紅研究員チーム、上海科技大学/上海臨床研究センターの曽容教授チーム、シンガポール国立大学の林水徳教授チームと共同で、医学と工学の分野横断的な共同研究を行い、「過剰体重の青少年向けの適応型AIベースの仮想現実スポーツシステム：ランダム化比較試験」と題する研究論文をネイチャー・メディシン誌に発表した。
研究チームは、太りすぎまたは肥満の青少年の体重管理を目的とした世界初のバーチャルリアリティ（VR）インテリジェント運動介入システム「REVERIE（Real-world Exercise and VR-based Exercise Research In Education）」を開発しました。このシステムは、Transformerアーキテクチャを基盤とし、深層強化学習によって駆動するバーチャルコーチツインエージェントを革新的に活用し、反復的なユーザーインタラクションを通じて最適化されます。安全で没入感があり、共感的で効果的なスポーツ指導を提供し、その生体力学的性能と運動時の心拍数反応は、同種の実際のスポーツと大きな差はありません。
研究チームは、過体重および肥満の青少年を対象とした、世界初のバーチャルリアリティ運動介入ランダム化比較試験（RCT）を実施しました。この研究では、革新的な多次元評価システムを採用し、従来の対照群設計に基づき、等強度の実運動対照群を追加しました。VR 運動介入が太りすぎおよび肥満の青少年の身体、心、脳の健康に及ぼす複合的な影響が体系的に分析されました。代謝指標だけでなく、体力、精神的健康、運動意欲などの側面もカバーし、介入措置が青少年の認知機能に及ぼす潜在的な影響を正確に評価します (図 1)。
技術アーキテクチャと研究成果
青少年の肥満問題は深刻化の一途を辿っており、代謝性疾患のリスクが著しく高まるだけでなく、認知機能の持続的な低下を引き起こす可能性もあります。運動介入は最も効果的な手段ですが、青少年は一般的に、運動意欲の低さ、社会的障壁、専門家の指導不足といった現実的な困難に直面しています。より的確で人道的な運動介入システムの確立が急務となっています。
1990年代初頭、銭学森氏は仮想現実（VR）を「精神世界」と鮮やかに解釈し、この技術が「人間の脳の知覚を大きく拡張し、人々をかつてない新しい世界へと導き、新たな歴史的時代が始まろうとしている」と予測しました。これは、「コンピュータグラフィックスの父」と呼ばれるアイヴァン・サザーランド氏が1960年代に提唱した「究極のディスプレイ」という概念を彷彿とさせます。VR技術は医療分野で既に成果を上げており、介入の可能性も示唆されていますが、個別フィードバックや質の高い検証研究が不足しているため、その応用には限界があります。
これを基に、チームは没入型体験とインテリジェントなコーチングを組み合わせた、特にティーンエイジャー向けに設計された世界初のバーチャルリアリティ スポーツ システム、REVERIE を開発しました。パーソナライズされた動的ガイダンスを実現するために、「テンプレート駆動とリアルタイムフィードバックの組み合わせ」の深層強化学習戦略が採用されています。
最初のステップ、チームは高精度のモーションキャプチャ技術を使用しました。卓球とサッカーを指導する過程におけるプロのコーチの行動を体系的に収集し、パラダイムベンチマークとして専門家コーチのテンプレートを構築しました。
2番目のステップは、プロフェッショナルコーチングテンプレートを目標行動モデルとして使用し、Transformer アーキテクチャと深層強化学習テクノロジーを組み合わせて、自律的な指導機能を備えた仮想コーチ エージェントをトレーニングします。
3番目のステップは、システムは導入および運用後、仮想コーチエージェントと青少年ユーザー間のインタラクションデータを継続的に収集します。青少年への個別化されたスポーツ介入を実現するために、仮想コーチングエージェントの継続的な強化学習と戦略の微調整を行いました。研究の結果、REVERIEシステムは、安全で効果的、かつ没入感があり共感的なスポーツコーチングを提供できることが示されました。また、バイオメカニクス的なパフォーマンスと運動時の心拍数反応は、同種のスポーツの現実世界の活動と類似していることが示されました（図2）。
ランダム化比較臨床試験では、合計227人の太りすぎまたは肥満の青少年が対象となった。被験者は、対照群、リアル卓球群、リアルサッカー群、VR卓球群、VRサッカー群にランダムに分けられました。対照群は従来の生活習慣と運動習慣を維持し、運動群は学校の体育の授業内容に基づき、週に3回の運動介入コースを追加しました。リアル運動群とバーチャル運動群は、心拍数をリアルタイムでモニタリングするアームバンドを通じて、同じ強度範囲で運動強度を制御し、両群のスキルトレーニング内容は一貫していました。研究期間中、すべての被験者は均一な食事管理を受け、介入は8週間続きました。
結果は次のようになります。VRエクササイズは、脂肪減少や代謝改善の点で実際の運動に匹敵し、運動能力、精神衛生、運動意欲の維持の面で利点があります。特に認知機能において、VRエクササイズ群は知覚とワーキングメモリの精度が向上しました。脳機能画像解析では、VRエクササイズがより複雑で階層的かつ再構築的な脳ネットワーク活動を誘発し、主要な神経ネットワーク間の相互作用を動的に制御し、神経効率と可塑性を高めていることが示されました（図3 a、b）。
研究チームは、過体重および肥満の青少年に対するVRと実際の運動介入の可能性のあるメカニズムをさらに探るため、マルチオミクス統合解析を用い、VR運動後に腸内マイクロバイオーム、メタボローム、リピドームの特性が有意に変化したのに対し、実際の運動介入後には主にプロテオームの有意な変化が観察されたことを明らかにした。差異的なマルチオミクス特性に関連する脳領域は、特に前頭葉、側頭葉、楔前部に集中しており、認知行動指標と密接に関連していた（図3c）。 VR 運動後の認知機能改善のメカニズムには、次の 2 つの経路が考えられます。まず、腸内細菌叢と脳の連携を通じて認知機能に影響を及ぼします。次に、タンパク質と代謝物の相互作用が共同して認知機能に影響を及ぼします。
研究の意義と今後の展望
この研究では、深層強化学習に基づく世界初の仮想現実スポーツ介入システムである REVERIE を構築しました。Transformer アーキテクチャと強化学習を組み合わせた最初の仮想コーチ エージェント。同社はデジタルスポーツ介入の新しい形を開拓しました。過体重および肥満の青少年を対象としたVR運動のRCTを世界で初めて完了しました。これは、仮想現実運動療法のための高度なエビデンスに基づく医療を提供し、タスク状態機能的磁気共鳴画像技術とマルチオミクス分析を革新的に統合して、VR 運動が認知機能を向上させる神経的および分子的メカニズムの可能性を明らかにします。
REVERIEシステムは、思春期肥満介入のための新しい「生理学的・心理学的・認知的」三位一体のデジタルソリューションを提供するだけでなく、また、医療分野における仮想現実技術の徹底的な応用のための理論的基礎も提供し、肥満介入戦略のための革新的な技術的道筋を提供するだけでなく、人工知能によって可能になる正確な健康管理の実用的なパラダイムも提供します。
REVERIE システムは、太りすぎや肥満の青少年が体重を減らし、運動能力の習得を促進するのに役立ちます。継続的な運動の基盤を築き、神経細胞の効率と神経可塑性を向上させ、記憶力、注意力、精神的な敏捷性を大幅に向上させ、積極的に動く意欲を確立します。若者が「受動的な参加」から「能動的な選択」に移行できるようにします。スキル習得、認知能力の向上、そして意欲形成が閉ループを形成することで、運動を日常生活に取り入れ、持続可能な運動習慣を身につけることが期待されます。これにより、若者は運動を通じて健康な体、機敏な心、そして前向きな姿勢を身につけ、肥満問題を根本的に解決し、成長のための強固な健康基盤を築くことができます。
ネイチャー・メディシン誌は「小児肥満に取り組むバーチャルリアリティ・スポーツ」と題した論評も掲載し、「REVERIEは、将来の調査の基礎を築き、太りすぎの青少年の健康を改善・増進するための革新的で効果的かつ安全な戦略としてバーチャルリアリティ・スポーツを利用することを支持する画期的な研究である」と述べている。
この研究の共同責任著者である上海交通大学の盛斌氏は、仮想現実は本質的には「容器の中の脳」という哲学的仮定のもとで世界の起源に関する人間の認識を探求したものであると考えている。REVERIE 研究はこの仮定を打ち破りました。VR はもはや閉じた知覚シミュレーション実験ではなく、むしろデジタル モードでの人間の生理的神経系の交響的共鳴介入のようなものです。VRが心身に与える影響は、生理学、生化学、脳科学の多次元的な地図を描き出しています。これは単なる技術的な反復ではなく、認知パラダイムの飛躍でもあります。VRが視覚、触覚、さらには前庭系への協調的な刺激を通して知覚マトリックスを再構築する時、人々はそれを未来の視点から捉える必要があります。思春期の神経可塑性のピーク期におけるVR介入の持続閾値と頻度リズムは、今後の研究によって解明される必要があります。「現在の探究は、この点における人類の探究の始まりであり、第一歩に過ぎません」。デジタルインテリジェンス時代における人間の心身の健康のための新たな座標系を真に描き出すことができるのは、継続的な将来研究だけです。
著者について
本論文の共同責任著者は、上海交通大学医学部付属第六人民病院積極的健康戦略開発研究所の李華亭教授、上海交通大学コンピュータ科学技術学院教育部人工知能重点実験室の盛斌教授、シンガポール国立大学の林水徳教授、上海科技大学/上海臨床研究センターの曾容教授である。
本論文の共同筆頭著者は、上海体育大学の研究員である王季紅氏、清華大学医学部博士研究員である秦一鳴氏、上海交通大学医学部付属第六人民病院博士課程学生である呉千氏（指導教員：李華亭教授）、清華大学医学部博士研究員である曽殿氏、上海理工大学／上海臨床研究センターの高暁静博士、上海交通大学医学部付属第六人民病院博士課程学生である王琴怡氏（指導教員：李華亭教授）、上海体育大学の准教授である李振氏、上海交通大学医学部付属第六人民病院研究員である倪月瓊氏、上海体育大学の博士課程学生である李浩軒氏（指導教員：盛斌教授）、オハイオ州立大学教授である張平氏です。上海交通大学医学部付属第六人民病院の副研究員、郭静怡氏。
また、本研究は、上海交通大学医学部付属第六人民病院の賈衛平教授、黄天銀教授とそのチーム、ハーバード大学公衆衛生学院のフェリペ・フレグニ教授、国家タンパク質科学研究所（上海）の呉家瑞所長、中国科学院ソフトウェア研究所の呉恩華教授、清華大学の馬新東教授、香港大学の徐愛民教授、温州医学大学の黄志鋒教授、シドニー大学の金錦滾教授、上海体育大学の黄暁軍研究員、上海交通大学トランスレーショナルメディシン研究所の畢磊准教授、上海科技大学バイオメディカル工学学院の沈定剛教授とそのチーム、宝山区教育局、上海女子サッカーチーム、中国卓球アカデミーなど、多分野にわたる専門家と研究チームの支援を受けた。この研究は、国家衛生健康委員会の「教育情報化教育応用実践コミュニティプロジェクト」および「国家科学技術イノベーション2030-国家科学技術重点プロジェクト」によって資金提供を受けた。