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，使其成为全球最广泛消费的精神活性物质之一。
在4月份发表于《自然通讯生物学》的一项研究中，蒙特利尔大学的研究团队揭示了咖啡因如何改变睡眠模式并影响大脑在夜间的身体和认知恢复过程。
该研究由蒙特利尔大学认知与计算神经科学实验室（CoCo Lab）的研究实习生Philipp Thölké领导，并由实验室主任Karim Jerbi共同领导。Karim Jerbi是心理学教授，也是魁北克人工智能研究所Mila的研究员。
他们与蒙特利尔大学睡眠医学高级研究中心的睡眠与衰老心理学教授Julie Carrier及其团队合作，利用人工智能和脑电图（EEG）技术研究了咖啡因对睡眠的影响。
他们首次展示了咖啡因会增加大脑信号的复杂性，并在睡眠中增强大脑的“临界状态”。有趣的是，这种效应在年轻成年人中更为明显。
“临界状态”描述了一种介于有序和混沌之间的大脑状态。就像一个管弦乐队：太安静则什么都不会发生，太混乱则会变得嘈杂。临界状态是一种平衡状态，在这种状态下，大脑活动既有序又灵活。在这种状态下，大脑功能达到最佳：它可以高效地处理信息，快速适应，学习和敏捷决策。
Karim Jerbi解释说：“咖啡因刺激大脑并将其推入临界状态，使大脑更加清醒、警觉和反应迅速。虽然这在白天有助于集中注意力，但在夜间，这种状态可能会干扰休息：大脑既不能放松也不能充分恢复。”
为了研究咖啡因如何影响睡眠中的大脑，Carrier的团队使用脑电图记录了40名健康成人的夜间大脑活动。他们在两个不同的夜晚比较了每个参与者的大脑活动——一个晚上他们分别在睡前3小时和1小时前摄入咖啡因胶囊，另一个晚上则在同一时间服用安慰剂。
“我们使用先进的统计分析和人工智能来识别神经活动的细微变化，”该研究的第一作者Thölké说。“结果显示，咖啡因增加了大脑信号的复杂性，反映了更动态且不可预测的神经活动，特别是在非快速眼动（NREM）睡眠阶段，这对记忆巩固和认知恢复至关重要。”
研究人员还发现，睡眠期间大脑电波节律发生了显著变化：咖啡因减弱了较慢的振荡，如θ波和α波——通常与深度、恢复性的睡眠相关——并刺激了β波活动，这在清醒和精神参与时更为常见。
Jerbi说：“这些变化表明，即使在睡眠中，大脑在咖啡因的影响下仍然处于更激活、更不恢复的状态。这种大脑节律活动的变化可能有助于解释为什么咖啡因会影响大脑在夜间恢复的效率，从而对记忆处理产生潜在影响。”
该研究还显示，咖啡因对大脑动力学的影响在20至27岁的年轻成人中比41至58岁的中年人更为显著，尤其是在与做梦相关的快速眼动（REM）睡眠阶段。
年轻成人对咖啡因的反应更大，可能是由于他们的大脑中腺苷受体密度较高。腺苷是一种在一天中逐渐在大脑中积累的分子，导致疲劳感。
Carrier说：“随着年龄的增长，腺苷受体自然减少，减少了咖啡因阻断它们并提高大脑复杂性的能力，这可能部分解释了在中年参与者中观察到的咖啡因效果减弱。”
这些与年龄相关的差异表明，年轻的大脑可能更容易受到咖啡因的刺激作用。鉴于咖啡因在全球范围内的广泛使用，特别是作为日常疲劳的补救措施，研究人员强调了理解其对不同年龄段和健康状况下的大脑活动的复杂影响的重要性。
他们补充说，需要进一步的研究来澄清这些神经变化如何影响认知健康和日常功能，并可能为个性化推荐咖啡因摄入提供指导。
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