咖啡可以帮助你保持清醒。但咖啡因在你睡着后对大脑到底有什么影响？利用人工智能，一组研究人员找到了答案：它影响大脑的“临界性”。
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，使其成为全球消费最广泛的精神活性物质之一。
在4月发表在自然通讯生物学上的一项研究中，来自蒙特利尔大学的一组研究人员揭示了咖啡因如何影响睡眠并影响大脑的恢复——包括身体和认知上的恢复。
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 Thölke主导，实验室主任、心理学教授及米拉-魁北克人工智能研究所的研究员Karim Jerbi共同领导。
科学家们与蒙特利尔大学睡眠医学先进研究中心的睡眠与老年心理学教授Julie Carrier及其团队合作，使用人工智能和脑电图（EEG）研究咖啡因对睡眠的影响。
他们首次表明，咖啡因在睡眠期间增加了大脑信号的复杂性，并增强了大脑的“临界性”。有趣的是，这在年轻成年人中表现得更加明显。
“临界性描述了大脑在秩序与混乱之间的平衡状态，”Jerbi说。“就像一个管弦乐团：太安静的话什么都不会发生，太混乱就会有噪音。临界性是大脑活动既有组织又灵活的幸福中介。在这种状态下，大脑的功能是最优的：它可以高效处理信息，快速适应，灵活学习和做出决策。”
Carrier补充道：“咖啡因刺激大脑，使其进入临界性状态，此时大脑更加清醒、警觉和反应迅速。虽然这在白天有助于集中注意力，但这种状态可能会干扰夜间的休息：大脑既无法放松，也无法得到适当的恢复。”
研究了40名成年人
为了研究咖啡因对睡眠大脑的影响，Carrier的团队记录了40名健康成年的夜间大脑活动，使用脑电图进行记录。他们比较了每个参与者在两个不同夜晚的脑活动——一个是他们在睡前三个小时和一个小时前服用咖啡因胶囊，另一个是在相同时间服用安慰剂。
“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，”研究的第一作者Thölke说。“结果显示咖啡因增加了大脑信号的复杂性，反映出更动态和不太可预测的神经活动，特别是在对记忆巩固和认知恢复至关重要的非快速眼动（NREM）睡眠阶段。”
研究人员还发现了睡眠期间大脑电节律的显著变化：咖啡因减弱了慢振荡（如θ波和α波），这些通常与深层、恢复性睡眠相关联，并刺激了β波活动，这在清醒和心理参与时更为常见。
“这些变化表明，即使在睡眠中，大脑在咖啡因的影响下仍处于更活跃、恢复性较差的状态，”Jerbi说，他还担任加拿大计算神经科学和认知神经成像研究主席。“这种大脑节律活动的变化可能有助于解释为什么咖啡因影响大脑在夜间恢复的效率，这可能对记忆处理产生后果。”
20多岁的人更受影响
研究还显示，咖啡因对大脑动态的影响在20到27岁之间的年轻成年人中明显比在41到58岁之间的中年参与者中更为显著，尤其是在与梦境相关的REM睡眠阶段。
年轻成年人对咖啡因的反应更为强烈，这可能由于他们大脑中腺苷受体的密度较高。腺苷是一种分子，在白天逐渐在大脑中积累，造成疲劳感。
“腺苷受体随着年龄的增长自然减少，这降低了咖啡因阻断它们并改善大脑复杂性的能力，这可能部分解释了中年参与者观察到的咖啡因效果降低，”Carrier说。
这些与年龄相关的差异表明，年轻的大脑可能对咖啡因的刺激作用更为敏感。考虑到咖啡因在世界各地的广泛使用，特别是作为日常疲劳的缓解剂，研究人员强调了理解咖啡因对不同年龄段和健康状况下大脑活动的复杂影响的重要性。
他们补充说，进一步的研究是必要的，以澄清这些神经变化如何影响认知健康和日常功能，并可能指导个性化的咖啡因摄入建议。
