Koffein ist nicht nur in Kaffee enthalten, sondern auch in Tee, Schokolade, Energy-Drinks und vielen Softdrinks, was es zu einer der weltweit am häufigsten konsumierten psychoaktiven Substanzen macht. In einer in Nature Communications Biology veröffentlichten Studie hat ein Forscherteam der Université de Montréal neue Erkenntnisse darüber gewonnen, wie Koffein den Schlaf verändern und die körperliche und kognitive Erholung des Gehirns über Nacht beeinflussen kann.

Der Einfluss von Koffein auf den Schlaf

Die Studie wurde von Philipp Thölke, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Cognitive and Computational Neuroscience Laboratory (CoCo Lab) der UdeM, geleitet und vom Laborleiter Karim Jerbi, Professor für Psychologie und Forscher am Mila – Quebec AI Institute, mitgeleitet. In Zusammenarbeit mit Julie Carrier, Professorin für Schlaf- und Alterspsychologie, und ihrem Team am Centre for Advanced Research in Sleep Medicine der UdeM untersuchten die Wissenschaftler mithilfe von KI und Elektroenzephalografie (EEG) die Auswirkungen von Koffein auf den Schlaf.

Sie konnten erstmals nachweisen, dass Koffein die Komplexität der Gehirnsignale erhöht und die „Kritikalität“ des Gehirns während des Schlafs verstärkt. Interessanterweise war dies bei jüngeren Erwachsenen stärker ausgeprägt. „Kritikalität beschreibt einen Zustand des Gehirns, der zwischen Ordnung und Chaos ausgeglichen ist“, erklärte Jerbi. „Es ist wie in einem Orchester: Ist es zu leise, passiert nichts, ist es zu chaotisch, entsteht Kakophonie. Kritikalität ist das goldene Mittel, bei dem die Gehirnaktivität sowohl organisiert als auch flexibel ist. In diesem Zustand funktioniert das Gehirn optimal: Es kann Informationen effizient verarbeiten, sich schnell anpassen, lernen und Entscheidungen mit Agilität treffen.“ Carrier fügte hinzu: „Koffein stimuliert das Gehirn und versetzt es in einen Zustand der Kritikalität, in dem es wacher, aufmerksamer und reaktionsfähiger ist. Während dies tagsüber für die Konzentration nützlich ist, könnte dieser Zustand die Nachtruhe beeinträchtigen: Das Gehirn würde sich weder richtig entspannen noch erholen.“

Auswirkungen auf die Gedächtnisverarbeitung

Um zu untersuchen, wie Koffein das schlafende Gehirn beeinflusst, zeichnete Carriers Team die nächtliche Gehirnaktivität von 40 gesunden Erwachsenen mit einem Elektroenzephalogramm auf. Sie verglichen die Gehirnaktivität jedes Teilnehmers an zwei verschiedenen Nächten – einmal, nachdem sie drei Stunden und dann eine Stunde vor dem Schlafengehen Koffeinkapseln eingenommen hatten, und einmal, nachdem sie zur gleichen Zeit ein Placebo eingenommen hatten.

„Wir haben mithilfe fortschrittlicher statistischer Analysen und künstlicher Intelligenz subtile Veränderungen in der neuronalen Aktivität identifiziert“, so Thölke, Erstautor der Studie. Die Ergebnisse zeigten, dass Koffein die Komplexität der Gehirnsignale erhöhte, was auf eine dynamischere und weniger vorhersehbare neuronale Aktivität hindeutet, insbesondere während der Non-REM-Phase des Schlafes, die für die Gedächtniskonsolidierung und die kognitive Erholung entscheidend ist.

Die Forscher entdeckten außerdem auffällige Veränderungen in den elektrischen Rhythmen des Gehirns während des Schlafs: Koffein schwächte langsamere Schwingungen wie Theta- und Alpha-Wellen ab, die in der Regel mit tiefem, erholsamem Schlaf in Verbindung gebracht werden, und stimulierte die Beta-Wellen-Aktivität, die eher während des Wachzustands und bei geistiger Aktivität auftritt. „Diese Veränderungen deuten darauf hin, dass das Gehirn unter dem Einfluss von Koffein selbst während des Schlafs in einem aktiveren, weniger erholsamen Zustand verbleibt“, sagt Jerbi, der auch den Canada Research Chair in Computational Neuroscience and Cognitive Neuroimaging innehat. Diese Veränderung der rhythmischen Aktivität des Gehirns könnte erklären, warum Koffein die Effizienz der nächtlichen Erholung des Gehirns beeinträchtigt, was möglicherweise Auswirkungen auf die Gedächtnisverarbeitung hat.

Menschen in ihren 20ern stärker betroffen

Die Studie zeigte auch, dass die Auswirkungen von Koffein auf die Gehirndynamik bei jungen Erwachsenen zwischen 20 und 27 Jahren deutlich stärker ausgeprägt waren als bei Teilnehmern mittleren Alters zwischen 41 und 58 Jahren, insbesondere während des REM-Schlafs, jener Phase, die mit Träumen verbunden ist. Junge Erwachsene reagierten stärker auf Koffein, was wahrscheinlich auf eine höhere Dichte an Adenosinrezeptoren in ihrem Gehirn zurückzuführen ist. Adenosin ist ein Molekül, das sich im Laufe des Tages allmählich im Gehirn ansammelt und ein Gefühl der Müdigkeit hervorruft. Adenosinrezeptoren nehmen mit zunehmendem Alter auf natürliche Weise ab, wodurch die Fähigkeit von Koffein, sie zu blockieren und die Komplexität des Gehirns zu verbessern, verringert wird, was teilweise die geringere Wirkung von Koffein bei Teilnehmern mittleren Alters erklären könnte.

Diese altersbedingten Unterschiede deuten darauf hin, dass jüngere Gehirne möglicherweise empfindlicher auf die stimulierende Wirkung von Koffein reagieren. Angesichts der weltweiten Verbreitung von Koffein, insbesondere als tägliches Mittel gegen Müdigkeit, betonen die Forscher, wie wichtig es ist, seine komplexen Auswirkungen auf die Gehirnaktivität in verschiedenen Altersgruppen und bei unterschiedlichen Gesundheitszuständen zu verstehen. Sie fügen hinzu, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um zu klären, wie sich diese neuronalen Veränderungen auf die kognitive Gesundheit und die täglichen Funktionen auswirken, und um möglicherweise personalisierte Empfehlungen für die Koffe