咖啡因不仅存在于咖啡中，还存在于茶、巧克力、能量饮料和许多软饮料中，是世界上消费最广泛的精神活性物质之一。在发表于《自然-生物学通讯》（Nature Communications Biology）上的一项研究中，蒙特利尔大学的一个研究小组对咖啡因如何在一夜之间改变睡眠并影响大脑的生理和认知恢复有了新的认识。

咖啡因对睡眠的影响

这项研究由加拿大蒙特利尔大学认知与计算神经科学实验室（CoCo Lab）副研究员菲利普-托尔克（Philipp Thölke）领导，实验室主任、心理学教授兼魁北克人工智能研究所（Mila – Quebec AI Institute）研究员卡里姆-杰尔比（Karim Jerbi）共同领导。科学家们与魁北克大学睡眠与衰老心理学教授朱莉-卡里尔（Julie Carrier）及其睡眠医学高级研究中心的团队合作，利用人工智能和脑电图（EEG）研究咖啡因对睡眠的影响。

他们首次证明，咖啡因会增加大脑信号的复杂性，并提高大脑在睡眠中的 “临界状态”。有趣的是，这种现象在年轻人身上更为明显。”临界状态描述的是大脑在秩序和混乱之间保持平衡的一种状态，”杰尔比解释说。”这就像一个交响乐团：如果太安静，就什么也不会发生；如果太混乱，就会出现杂音。临界状态是大脑活动既有组织又灵活的黄金分割点。在这种状态下，大脑可以发挥最佳功能：高效处理信息、快速适应、学习并敏捷地做出决策。开利补充说：”咖啡因会刺激大脑，使其进入临界状态，在这种状态下，大脑会更加警觉、专注和反应灵敏。虽然这有利于白天集中注意力，但这种状态会影响良好的睡眠：大脑既不会放松，也不会正常恢复。

对记忆处理的影响

为了研究咖啡因如何影响睡眠中的大脑，开利的研究小组使用脑电图记录了 40 名健康成年人的夜间大脑活动。他们比较了每个参与者在两个不同夜晚的大脑活动–一次是在睡前三小时和一小时服用咖啡因胶囊后，另一次是在同一时间服用安慰剂后。

“我们使用了先进的统计分析和人工智能来识别神经活动的微妙变化，”该研究的第一作者托尔克说。研究结果表明，咖啡因增加了大脑信号的复杂性，表明神经活动更具动态性，更难预测，尤其是在睡眠的非快速眼动阶段，这对于记忆巩固和认知恢复至关重要。

研究人员还发现了睡眠期间大脑电节律的明显变化：咖啡因减弱了θ波和α波等较慢的振荡，而β波活动在清醒和精神活动期间更为常见。”杰尔比说：”这些变化表明，在咖啡因的影响下，大脑即使在睡眠期间也会处于更活跃、更不安宁的状态。大脑节律活动的这种变化可以解释为什么咖啡因会损害大脑夜间恢复的效率，这可能会对记忆处理产生影响。

20多岁的人受影响更大

研究还显示，咖啡因对大脑动态的影响在20至27岁的年轻人中明显比41至58岁的中年人明显，尤其是在快速眼动睡眠期，即与做梦相关的阶段。年轻人对咖啡因的反应更强烈，这可能是因为他们大脑中的腺苷受体密度更高。腺苷是一种在一天中逐渐在大脑中积累的分子，会使人产生疲倦感。腺苷受体会随着年龄的增长而自然减少，从而降低了咖啡因阻断腺苷受体和改善大脑复杂性的能力，这可能是咖啡因对中年参与者影响较小的部分原因。

这些与年龄有关的差异表明，年轻的大脑可能对咖啡因的刺激作用更加敏感。鉴于咖啡因在全球范围内的普遍使用，尤其是作为日常消除疲劳的药物，研究人员强调了了解咖啡因对不同年龄组和健康状况的大脑活动的复杂影响的重要性。他们补充说，还需要进一步的研究来阐明这些神经变化是如何影响认知健康和日常功能的，并为咖啡因的摄入制定个性化建议。