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咖啡因对睡眠中大脑的影响尚不明确。研究人员通过分析 40 名受试者的睡眠脑电图（EEG），对比咖啡因与安慰剂。结果发现咖啡因使大脑复杂度增加、向临界状态转变，且年轻成人在快速眼动（REM）睡眠时更明显。该研究有助于理解咖啡因对大脑的作用。
在日常生活中，咖啡是许多人喜爱的饮品，其中的咖啡因能让人提神醒脑。然而，咖啡因对大脑的影响却十分复杂。一方面，它能提高警觉性、增强注意力和认知能力；另一方面，又会干扰睡眠质量，而良好的睡眠对身体健康至关重要。不仅如此，咖啡因还具有神经保护作用，尤其对帕金森病有一定益处，这让其对健康的影响更加扑朔迷离。目前，虽然已知咖啡因会影响睡眠，比如延长入睡时间、降低睡眠效率等，但它在睡眠过程中对大脑的具体作用机制，特别是在不同睡眠阶段以及不同年龄段人群中的差异，仍然存在许多未知。为了深入探究这些问题，来自加拿大蒙特利尔大学（Université de Montréal）等机构的研究人员开展了一项关于咖啡因对睡眠中大脑电生理信号影响的研究。该研究成果发表在《Communications Biology》上，为我们理解咖啡因与大脑之间的关系提供了重要依据。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们收集了 40 名健康受试者在咖啡因和安慰剂两种条件下的睡眠 EEG 数据（256Hz），这些受试者年龄在 20 - 58 岁之间，且均为适度咖啡因消费者。在数据处理过程中，研究人员先对 EEG 数据进行预处理，将其划分为 20s 的窗口并进行睡眠阶段评分，去除含有伪迹的片段。接着，运用多种算法提取相关特征，包括功率谱密度（PSD）、样本熵（SampEn）、谱熵（SpecEn）等。最后，利用统计分析和机器学习（ML）方法，对比咖啡因和安慰剂条件下的差异。
咖啡因对睡眠 EEG 振荡的影响
研究人员对比了咖啡因和安慰剂对睡眠 EEG 振荡的影响。在非快速眼动（NREM）睡眠期间，咖啡因导致 δ、θ 和 α 频段功率显著降低，β 频段功率广泛增加；在 REM 睡眠期间，咖啡因主要使颞叶、顶叶和枕叶通道的 θ 功率显著降低，额叶皮质的 β 功率在 LDA 分析中有显著变化。并且，去除功率谱中的非周期性（1/f）成分后，咖啡因对神经振荡的影响更加明显，这表明考虑非周期性成分对准确评估咖啡因的作用至关重要。
咖啡因对睡眠 EEG 复杂度和临界性的影响
研究人员还评估了咖啡因和安慰剂对 EEG 复杂度和临界性的影响。结果显示，所有 EEG 复杂度指标（SpecEn、SampEn、SpecSampEn 和 LZc）在咖啡因作用下均显著增加，用于探测临界行为的指标（DFA 缩放指数和非周期性活动斜率）则显示大脑向临界状态转变。这种变化在 NREM 睡眠中广泛且显著，在 REM 睡眠中则局限于枕叶区域且较弱。此外，通过随机森林分类器发现，复杂度和临界性相关指标在区分咖啡因和安慰剂样本时比频谱特征更重要。
年龄相关的影响
研究人员分析了咖啡因对不同年龄组睡眠 EEG 的影响。在 NREM 睡眠中，咖啡因对年轻和中年成年人的多个 EEG 特征都有显著影响，但年轻组更为明显，但组间无显著年龄差异。在 REM 睡眠中，咖啡因仅对年轻组的 EEG 特征有显著影响，对中年组无明显作用，且年轻组和中年组之间存在显著的年龄相关差异。进一步分析发现，中年人的大脑复杂度更高，DFA 缩放指数更低，非周期性斜率更平坦，这可能导致咖啡因对其影响减弱。
在结论和讨论部分，该研究具有多方面的重要意义。在咖啡因对神经节律的影响方面，研究结果在考虑 1/f 校正后扩展了前人研究，明确了咖啡因对不同频段功率的影响。关于咖啡因对 EEG 熵的影响，首次证明了咖啡因在睡眠中能增加 EEG 熵，且这种变化在 REM 阶段存在年龄依赖性，这可能反映了大脑信息处理和整合过程的改变。对于咖啡因对 Lempel - Ziv 复杂度（LZc）和临界动力学的影响，表明咖啡因使大脑动力学向临界状态转变，且在年轻人中更明显，这可能与年龄相关的腺苷 A1受体密度变化有关。此外，研究还发现咖啡因诱导的神经兴奋与向临界状态的转变相关，为理解咖啡因对大脑的作用机制提供了新视角。年龄相关差异方面，揭示了咖啡因对年轻和中年成年人 REM 睡眠 EEG 特征影响不同的多种潜在因素，为后续研究指明了方向。不过，该研究也存在一定局限性，如 REM 睡眠中样本数量较少导致特征估计噪声较大、部分指标需进一步验证、EEG 测量与兴奋 - 抑制平衡的机制联系有待明确等。未来研究可针对这些不足，在更多临床人群中开展，从而为咖啡因的合理摄入提供更科学的建议。
