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咖啡对大脑的影响

咖啡因是什么?

 

咖啡因是一种黄嘌呤生物碱化合物,对人类来说是一种兴奋剂。

咖啡因是一种中枢神经兴奋剂,能够暂时的驱走睡意并恢复精力。有咖啡因成分的咖啡、茶、软饮料及能量饮料十分畅销,因此,咖啡因也是世界上最普遍被使用的精神药品。在北美,90%成年人每天都摄入咖啡因。

很多咖啡因的自然来源也含有多种其他的黄嘌呤生物碱,包括茶碱和可可碱这两种强心剂以及其他物质例如单宁酸。


 

我们人体摄入食物在体内转化成能量,最后部分存储在三磷酸腺苷中(ATP),身体各种机能的运行多直接来自于ATP水解提供的能量。体内的ATP会逐级水解来满足细胞的能量需求,也就是ATP—ADP (二磷酸腺苷) —AMP (单磷酸腺苷) —腺苷这个逐级水解过程。在身体不那么需要能量时,腺苷又可以进行逆向的化学反应来重新合成ATP。腺苷这种小分子就是我们身体的充电蓄电池。

每一天,人体大概需要100到150摩尔ATP来提供能量,而实际上,身体里只有约0.2摩尔的ATP。而也就是说,每一天,ATP这个蓄电池都不断地在我们身体里充电又放电,循环使用。

我们的神经系统工作时需要ATP来提供能量。清醒比睡眠状态下需要ATP更多,进行脑力活动时,需要的ATP更多。

所以当我们进行高强度的脑力劳动、很复杂的思考或者睡眠不足时,脑内的ATP的合成会跟不上ATP的消耗。在获得休息之前,ATP的最终水解产物腺苷的浓度会逐渐升高。

而腺苷还是一种神经递质。腺苷含量在神经系统升高后,会使人紧张起来,注意力集中困难、焦虑、烦躁,易发攻击性行为,学习和记忆能力都降低。这是身体在提醒我们,应该休息一下了。

咖啡就是一种天然的腺苷受体阻滞剂,从而使人感受不到疲劳所带来的困意、注意力难以集中等情况。

但是显然地,这是一种“治标不治本”的措施,咖啡因的阻滞作用没有降低腺苷的浓度水平,而我们在这种情况下的继续工作,会使它的浓度持续上升,可能会达到咖啡因也无法阻滞的程度,这个时候喝咖啡就不再有效果了。

 

(电子显微镜下的咖啡因分子)

 

咖啡因对神经系统产生了什么作用?

 

在大脑中咖啡因可以阻挡腺嘌呤核苷接受器。腺嘌呤核苷与它的接受器结合后可以减缓神经细胞的活动。一般在睡眠时两者结合。咖啡因分子与腺嘌呤核苷类似,可以与同一种接受器结合。但它不促使细胞活动降低,相反地,它阻止腺嘌呤核苷与它的接受器结合。其结果是神经细胞活动增高,神经细胞分泌激素肾上腺素。肾上腺素导致心跳加快,血压增高,肌肉中的血流量提高,皮肤和内脏的血流量降低,肝脏向血液释放葡萄糖。此外咖啡因与氨基丙苯一样可以提高脑内的神经递质多巴胺。

 

当我们的身体非常累的时候,就会给大脑发送“啊呀,我好累啊“的神经信号。这个时候,腺苷受体就会屁颠屁颠去找他们的原配,腺苷(adenosine)这种神经递质来和他们结合。
腺苷是我们身体里用来调节睡眠的内稳态因子,因此一旦腺苷和腺苷受体一结合,我们的神经细胞就基本不活动了。
就像一对老夫老妻,相濡以沫,但鲜有激情。大脑接收到信号,于是命令大家都跟着洗洗睡了。
 

咖啡因一打量腺苷,再一看自己,咦,我们(化学结构)长很像啊!于是心里就想,为啥你可以和腺苷受体结合我不可以啊?
然后一脚踹开腺苷就去霸占了腺苷受体。这个时候问题就来了。
身体虽然很疲劳,不断向大脑传递“需要休息”的信号,但是因为原配没有和受体结合,大脑就接收不到身体这些信号,于是就一直蒙在鼓里,继续发号施令让身体各部分加油工作。
这个时候,漂浮在大脑中的腺苷无处可去,越积越多,使得大脑中神经元的放电随之增加,这时大脑的反应是“噢哦,大事不妙,有异常情况!”
然后赶紧调兵遣将,通知肾上腺分泌肾上腺素(adrenaline)。
这是我们的身体在应激反应时分泌的一种激素,它导致我们心跳加快,肌肉紧张,血压增高,肌肉中的血流量提高,皮肤和内脏的血流量降低,肝脏向血液释放葡萄糖,从而获得额外的能量。
 
换句话说,咖啡因其实并没有消除身体的疲劳,而是暂时欺骗了大脑,阻断了身体疲劳的信号,而继续让其活蹦乱跳。


长时间喝咖啡因会怎么样?

 

与其它刺激中枢神经系统的物质和酒精不同的是,咖啡因的作用相当短。对大多数人来说,咖啡因不影响他们的注意力和其他高级智力功能,因此含咖啡因的饮料往往在工作场所饮用。
长时间饮用咖啡因可以导致身体对咖啡因的习惯化。假如这时中断使用咖啡因,身体会对腺嘌呤核苷过分灵敏,血压会过度降低,导致头疼和其它症状。

 

长期性且过度摄取咖啡因会引起一系列的精神紊乱。其中两种被美国精神病学协会验证的是咖啡因焦虑症和咖啡因睡眠失调。
咖啡因睡眠失调是指由一个个体有规律的摄取高剂量的咖啡因所导致的他或她的睡眠紊乱,并且能被临床诊断所发现。
对某些个体而言,大剂量的咖啡因所导致的焦虑足够被临床诊断发现。咖啡因焦虑症会以不同的形式出现,一般性焦虑失调,恐慌发作,强迫症甚至是恐怖症。因为这些症状容易与基本神经失调混淆,比如恐慌失调,一般性焦虑失调,躁郁症或甚至是精神分裂症,所以一些医务工作者认为部分咖啡因摄入过量的人被误诊并给予了不必要的治疗,他们认为咖啡因诱发的精神疾病可以通过切断咖啡因来源而很简单的控制。一个由《不列颠上瘾期刊》(British Journal of Addiction)所作的调查表明,虽然咖啡因引发的疾病很少被诊断出,咖啡因慢性中毒至少困扰了十分之一的总人口。


过量咖啡因的影响

 

一个急剧的过量咖啡因,通常超过250毫克(相当于2-3杯煮咖啡)就能够导致中枢神经系统过度兴奋。咖啡因过度兴奋的症状包括:烦躁、神经过敏、兴奋、失眠、脸红、尿液增加、胃肠紊乱、肌肉抽搐、思维涣散、心跳不规则或过快以及躁动。

过量摄入咖啡因会引起各种身体和情绪方面的不适。一次性摄入400-500mg的咖啡因就可能会引发咖啡中毒症状。

摄取极大剂量的咖啡因会导致死亡。对于实验鼠,咖啡因的半数致死量为192毫克每千克体重。咖啡因半数致死量取决于体重和个人敏感程度,大概是150至200毫克每千克体重,大约是一个普通成年人在一个有限的时间内摄取140至180杯咖啡,时间取决于生物半衰期。尽管饮用普通咖啡几乎不可能致死,但有由于过度服用咖啡因药丸致死的报告。需要引起注意的,咖啡因不只存在咖啡中,各种茶、运动、能量型饮料或食品中都可能含有咖啡因。
对于咖啡因过度兴奋的治疗通常是辅助性的,即对个别的症状进行相应的治疗。但是如果患者的血清咖啡因浓度过高,则有可能采取腹膜透析、血液透析和血液滤过等方法。

 

 
 
需要指出的是,很多对于咖啡的研究,都是由推广咖啡的机构或者生产含咖啡因产品的企业资助的。
而在学术研究中,多种因素都会影响最终的研究结果,比如样本的选择、研究方法等。
所以到底是好是坏,喝多喝少,很难说清。所以,真心劝告你要擦亮眼睛,带着批判思维去看待所有的研究结果。
这里附上一张蜘蛛在各种不同神经药物影响下的织网水平展现,红框标出的是摄入了咖啡因的蜘蛛的表现大家自行感受一下。
 

 
咖啡因对睡眠的影响
 

通常,每当你早上醒来,身体就会开始生成腺甙,而咖啡因会阻碍腺甙生成。腺甙会让人打瞌睡,腺甙指数应该是在日间逐渐升高的,这样到了晚上,身体需要休息的时候,大脑也正好觉得该睡觉了。

可是有了咖啡因的干扰,腺甙指数无法自然增长,到了晚上你就很难睡得着、睡得香了咖啡因进入腺甙的受体位点,不仅阻碍其生成,还会进一步加速肾上腺素的生成。

咖啡因对睡眠的另一方面影响体现在——它会干扰退黑激素的生成,这种荷尔蒙生成于松果体。松果体是大脑中对光线、黑暗都很敏感的区域,负责调节我们的生理时钟。

当夜幕降临,退黑激素会告诉大脑该睡觉了,并发挥它的助眠功效,让你睡得踏实,醒来后觉得活力满满。

 

 

为什么有些人睡前也能喝杯咖啡,但仍然睡得着,但那只是极少数例外。这方面只能说见仁见智了,把学术研究里面的免死金牌“个体差异”(individual difference)搬出来最好用。
神经科学家们试图将09年前十年之内的相关研究结果整合起来,看看咖啡因对睡眠到底有什么影响,遗憾的是没有定论
由于对咖啡因的耐受性不同,有些人早上喝一杯咖啡,到第二天凌晨还瞪大着双眼数羊。
而有些人就算睡前喝一杯意式特浓expresso,照样可以粘着枕头就睡。
不过,对于大部分正常人来讲,咖啡因在人体内的半衰期大约是六小时,这意味着如果你在下午三点喝一大杯含有200mg咖啡因的咖啡,到晚上九点时仍然有大约100mg咖啡因留在体内。
虽然你能够入睡,但很有可能影响睡眠质量,错失深度睡眠的时机,导致第二天一早醒来昏昏沉沉,需要立刻摄入咖啡因才能清醒。
美国睡眠药物学院(American Academy of Sleep Medicine)发表的一份最新研究中指出,被测者在连续三晚只睡5个小时的话,每天200mg咖啡因(约1-2杯咖啡)的摄入量就完全失去了提神的作用。
因此,你不得不摄入更多的咖啡因才能起到原来的作用,你对咖啡因的耐受性和依赖性也就会越来越高了。
 

咖啡因可保护脑部神经细胞

 

日本顺天堂大学等团队曾在发行的美国科学杂志上发表研究成果称,发现了调查血液中咖啡因浓度来诊断神经系统疾病帕金森病的方法。

 

据分析,咖啡因具有保护脑部神经细胞的作用,患者小肠对咖啡等所含咖啡因的饮食吸收能力较弱,因而血液中浓度较低,故出现神经损伤,导致患帕金森病。

该团队的顺天堂大学教授服部信孝表示:“如果能从皮肤吸收咖啡因,从而提高血液中咖啡因含量的话,或许能预防发病或延缓病情发展。”

团队注意到,咖啡等所含咖啡因对帕金森病发病有预防效果的报告,所以他们采集了108名患者和31名健康人士的血液,对其中的咖啡因浓度进行了比较。结果显示,即便摄取的咖啡因量几乎相同,患者血液中的浓度也仅为健康人士的三分之一。

而且多个研究发现,长期咖啡因的摄入对于和大脑及神经系统相关的疾病,比如中风(stroke)(Larsson& Orsini, 2011) 、多发性硬化症(multiple sclerosis)(Mowry et al., 2015)、轻度认知功能障碍(mild cognitive impairment, MCI)与痴呆(dementia)(Cao et al,, 2012)、帕金森综合症(Parkinson’s disease)(Ross et al., 2000)等都有负相关的作用。

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