Кофеин усугубляет изменения в мозге, вызванные недостатком сна

Недавнее исследование показало, что кофеин может усугублять негативные эффекты хронического ограничения сна на серое вещество мозга. Исследователи обнаружили, что люди, которые употребляли кофеин в период ограничения сна, показали более значительное сокращение объема серого вещества по сравнению с теми, кто не употреблял кофеин. Результаты были недавно опубликованы в Scientific Reports.

Кофеин — наиболее широко используемое психоактивное вещество в мире, известное своей способностью повышать бдительность и смягчать когнитивные нарушения, вызванные недостатком сна. Однако как острая потеря сна, так и ежедневное потребление кофеина связаны с уменьшением объема серого вещества, ключевого компонента мозга, участвующего в обработке информации и регулировании различных когнитивных функций.

Изучая взаимодействие между хроническим ограничением сна и ежедневным потреблением кофеина, исследователи стремились выяснить, приведет ли потребление кофеина в периоды лишения сна к дальнейшему сокращению объема серого вещества. Кроме того, исследование стремилось изучить роль аденозиновой системы, в частности, доступность аденозиновых рецепторов A1, в опосредовании реакции мозга на кофеин и потерю сна.

Рецепторы аденозина А1 — это тип рецепторов в мозге, которые играют важную роль в регуляции нейронной активности и содействии сну. Они являются частью аденозиновой системы, которая помогает сбалансировать потребление энергии и поддерживать гомеостаз. Кофеин действует как антагонист этих рецепторов, блокируя их действие и тем самым повышая бдительность и противодействуя сонливости.

Исследование было частично проведено первым автором Юй-Шуанем Линем из университетской психиатрической клиники Базеля в Швейцарии и старшим автором Дэвидом Элменхорстом из Института нейронауки и медицины Исследовательского центра Юлиха в Германии.

«Концепция этой работы была вдохновлена результатами предыдущего исследования доктора Юй-Шуань Линя в Центре хронобиологии. Там мы наблюдали зависящее от концентрации кофеина уменьшение серого вещества после контролируемого 10-дневного приема кофеина, которое не зависело от вызванной кофеином вазоконстрикции и лишь частично смягчалось через 36 часов», — сообщили исследователи.

Этот эффект кофеина на пластичность серого вещества дополнил многочисленные свидетельства животных, которые демонстрируют участие аденозиновых рецепторов, основного свойства, с которым кофеин связывается и через которое оказывает воздействие, в модуляции синаптической пластичности в центральной нервной системе. Чтобы понять потенциальную роль аденозина в пластичности серого вещества, Ю-Шуань обратился к профессору Дэвиду Элменхорсту из Исследовательского центра Юлиха для этого совместного проекта.

«В то время Дэвид проводил исследование ПЭТ-МРТ совместно с Немецким аэрокосмическим центром, чтобы изучить влияние хронического ограничения сна и ежедневного потребления кофеина на доступность аденозиновых рецепторов A1 (A1R). Помимо измерения A1R in vivo, это исследование было воодушевляющим, поскольку оно потенциально могло дать представление об аденозинэргической модуляции в пластичности мозга через вмешательство в сон», - объясняют авторы исследования.

Метаболизм и сигнализация аденозина играют решающую роль в гомеостатическом механизме сна. Нарушенный сон может, в свою очередь, изменить сигнализацию аденозина и, как часто обнаруживается, нарушает структуры мозга как у животных, так и у людей. Недостаточный сон также закрепляет привычки потребления кофеина, и оба эти фактора, часто одновременно, распространены в современном обществе.

«Поэтому мы воспользовались возможностью и повторно использовали ПЭТ и Т1-взвешенные МРТ-изображения в дополнение к данным маркировки артериального спина, чтобы учесть влияние кофеина на перфузию мозга, и изучили пластичность серого вещества после хронического ограничения сна с комбинированным использованием кофеина и без него, а также потенциальное посредничество A1R в этих реакциях серого вещества», - сказали ученые.

Исследование проводилось в исследовательском центре Немецкого аэрокосмического центра в Кельне с 36 здоровыми взрослыми участниками, включая 15 женщин и 21 мужчину в возрасте около 29 лет. Эти участники были отобраны на основе их низкого привычного потребления кофеина (менее 450 мг в день) и статуса некурящих. Участники были разделены на две группы: одна группа получала кофе с содержанием кофеина (группа CAFF), а другая — кофе без кофеина (группа DECAF).

Эксперимент длился девять дней в контролируемых лабораторных условиях. Он начался с дня адаптации, за которым последовали два базовых дня, когда участники спали по 8 часов в сутки. Затем последовало пять дней хронического ограничения сна, когда участники ограничивались 5 часами сна в сутки, и завершился днем восстановления с 8 часами сна. Во время фазы хронического ограничения сна группа CAFF получала 200 мг кофеина утром и 100 мг днем, в то время как группа DECAF получала эквивалентные объемы кофе без кофеина.

Для измерения эффектов на объем серого вещества участники прошли магнитно-резонансную томографию (МРТ) и позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) в трех точках: после базовых дней, после фазы хронического ограничения сна и после дня восстановления. Образцы слюны собирались регулярно для контроля уровня кофеина, что обеспечивало точное отслеживание потребления кофеина и его физиологических эффектов.

Результаты исследования показали, что хроническое ограничение сна привело к изменениям в объеме серого вещества, на которые значительное влияние оказало потребление кофеина. Участники, не употреблявшие кофеин (группа DECAF) во время фазы ограничения сна, показали увеличение объема серого вещества в нескольких областях мозга, включая префронтальную кору, височно-затылочную кору и таламус. Эти области связаны с различными когнитивными и сенсорными функциями, что указывает на потенциальную компенсаторную реакцию на потерю сна.

«Для нас было несколько удивительно наблюдать увеличение, а не уменьшение серого вещества у участников без кофеина (группа DECAF) после хронического ограничения сна», — рассказали Лин и Элменхорст. «Однако более раннее исследование пролило свет на потенциальное объяснение этого открытия. В этом исследовании изучались изменения серого вещества в течение между 20 и 36 часами бодрствования, и они обнаружили, что несколько областей мозга на самом деле начали с демонстрации увеличения на ранней стадии (20 часов) и обратились в сокращение позже (36 часов)».

Ученые отмечают, что, хотя влияние полного лишения сна нельзя было обобщить до хронического ограничения сна, они предположили, что реакция серого вещества на увеличение продолжительности и/или интенсивности потери сна может не следовать линейной траектории. Безусловно, необходимы дополнительные исследования для систематического изучения изменений серого вещества при различных моделях ограничения сна.

Напротив, участники, употреблявшие кофеин (группа CAFF) во время фазы ограничения сна, продемонстрировали снижение объема серого вещества в этих же регионах. Это говорит о том, что кофеин может подавлять компенсаторные механизмы мозга в периоды недостаточного сна, потенциально усугубляя негативное влияние потери сна на структуру мозга.

Исследователи также обнаружили, что индивидуальные различия в доступности аденозиновых рецепторов играют значительную роль в степени изменений серого вещества. Участники с более низкой базовой доступностью подкорковых аденозиновых рецепторов испытали большее сокращение объема серого вещества, когда они потребляли кофеин во время ограничения сна. Это открытие подчеркивает важность активности аденозиновых рецепторов в опосредовании эффектов лишения сна и кофеина на структуру мозга.

«Люди с более высокой доступностью A1R, по-видимому, более устойчивы к воздействию кофеина на серое вещество», — пояснили исследователи. «После восстановительного сна и примерно 30-часового отказа от кофеина большинство изменений в сером веществе восстановились, за исключением увеличения дорсолатеральной префронтальной коры, связанного с хроническим ограничением сна, и снижения потребления кофеина, связанного с таламусом»,

Общеизвестно, что потребление кофеина борется с сонливостью. Наши данные также указывают на то, что потребление кофеина также влияет на пластичность мозга, вызванную потерей сна. Однако кофеин не просто подавляет или нормализует изменение серого вещества, но и влияет на серое вещество в противоположном направлении. Неясно, как эффект этой пластичности мозга проявляется на когнитивно-поведенческих уровнях; мы знаем, что это, вероятно, демонстрирует аденозиновую модуляцию в нейронном гомеостазе.

Несмотря на строгую методологию, исследование имеет некоторые ограничения, которые следует учитывать. Размер выборки был относительно небольшим, а участники были отобраны на основе конкретных генетических профилей, связанных с метаболизмом кофеина, что может ограничить применимость результатов к более широкой популяции.

Кроме того, хотя МРТ-сканирование показало изменения в сером веществе, оно не может сказать нам точно, что вызвало эти изменения. Это может быть увеличение или уменьшение количества нейронов, изменение плотности синапсов или изменение количества поддерживающих клеток, таких как микроглия. Чтобы точно определить эти конкретные изменения, будущие исследования могут использовать ПЭТ-сканирование со специальными маркерами для измерения синапсов, митохондрий или микроглии, объяснили исследователи.

«Гипотеза синаптического гомеостаза (SHY) гласит, что «сон — это цена, которую мы платим за пластичность мозга», — говорят исследователи. «Прошло десятилетие с момента публикации SHY, и эта увлекательная гипотеза все еще не проверена на людях in vivo. Поэтому Дэвид посвятил себя изучению молекулярного механизма регуляции сна и бодрствования с использованием биомедицинской визуализации. С другой стороны, Юй-Шуань продолжает фокусироваться на фармакологической ПЭТ-МРТ-визуализации для исследования аденозинэргической модуляции и ее роли в эффектах кофеина. Мы надеемся, что будущие результаты в этом направлении дадут представление о результатах этой текущей работы».