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咖啡因:缺觉的解药还是毒药?

前言:在知乎上写东西已经一年多了,但好像很少涉及到自己的专业(其实是我老板的专业)—— 睡眠剥夺(sleep deprivation) ,这篇文章算是睡眠剥夺前传吧(不会涉及很多相关专业知识)。并且作为一个咖啡因成瘾者,觉得还是很有必要来讲讲咖啡因(caffeine)抵抗困倦的机理以及可能的危害。

注:为了通俗易懂,本文将睡眠剥夺替换成了通宵、缺觉和睡眠不足。

背景:通宵的经历估计大家都有过,连续 24 小时不睡(acute sleep deprivation)之后个体会感到困倦(drowsiness)、疲劳(fatigue)和一系列不适应症状。那么问题来了,众所周知, 咖啡因能提神,但是它能否有效的抑制缺觉带来的诸多不适应症状呢?

咖啡因是一种中枢神经兴奋剂,是广泛使用的精神兴奋性“药物”(常见于茶、咖啡、红牛以及可乐)。

咖啡因的药理:

当人们在清醒状态时(如上午),中枢系统中的腺苷(adenosine)含量很低。随着清醒的时间的增长,腺苷开始在神经元突触积累,并激活腺苷受体(如下图的 agonist),从而产生一系列的反应并最终导致困倦。而咖啡因的作用是腺苷受体拮抗剂(antagonist),也就是说咖啡因抢先一步与腺苷受体结合(竞争型拮抗剂,与腺苷受体的结合能力比腺苷强),从而阻止腺苷发挥其应有的作用(即占着茅坑不拉屎)。

咖啡因:缺觉的解药还是毒药?

此外,咖啡因还有一个副作用,它会间接的改变纹状体(striatum)中的多巴胺(dopamine)受体的活性,并且促进背侧纹状体(dorsal striatum)和伏隔核核部(nucleus accumbens core)内的多巴胺释放。这也就是为什么咖啡因具有一定的成瘾性的原因。注意上述两个脑区的多巴胺释放与运动控制和奖赏有关,详见我另一个回答 大脑是如何决定在何种情况下释放多巴胺的? – 杨钒的回答 ,下文也会提及。

有研究表明,24 小时的睡眠剥夺会导致压力激素(cortisol, epinephrine, and norepinephrine)的显著提高,显然咖啡因并不能抑制这些压力激素增加带来的变化,这也为下文提供了一些铺垫,咖啡因不是万能的,并不能弥补缺失的睡眠 (Joo et al., 2012)。

通宵(24 小时不睡)的后果:

一、首当其冲的是 注意过程(attentional process) :相信大家都有过“眼皮打架”的经历,缺觉就会导致这种不可阻挡的微睡眠(micro-sleep)现象,即一小段时间内觉醒水平降低,无法持续维持注意。

在睡眠剥夺领域,通常用 psychomotor vigilance test (PVT)来衡量个体的持续性注意(sustained attention),这个任务很简单(如下图,任务持续时间一般为 10-20 分钟),被试需要在出现数字的时候尽快的反应(按键),正常状态下个体的反应时在 200-300 ms 之间,超过 500 会被算做走神(lapse),快于 130 会被认为是虚报(false alert)。使用这个范式就可以对通宵的后果进行定量测量:1、总体反应时(均值或者中位数)变慢。2、lapse 增加。3、更容易疲劳(time on task effect),即任务后半段的反应时显著比前半段长。

咖啡因:缺觉的解药还是毒药?

已有很多研究表明 咖啡因对这三个不良后果均有改善作用  (Benitez et al., 2009; Ramakrishnan et al., 2014),而这一改善左右的机理正是因为咖啡因抑制了腺苷系统的活性(动物实验证明腺苷是导致这一损害的原因,Christie, et al. 2007)。然而咖啡因的时效仅有几个小时,而且个体单日服用咖啡因的含量不宜超过 300mg,所以 试图靠咖啡因来维持一整日的正常生活工作是不太现实的。

(参考文献和超量危害请移步 https:// en.wikipedia.org/wiki/C affeine#Pharmacology )。

二、高级认知过程和执行功能(high-order cognitive process and execute function)

咖啡因可以缓解“通宵”对短时记忆的危害(Wyatt et al., 2004),同时可以减少错误记忆(Diekelmann et al., 2008)。

然而在其它高级认知过程面前,咖啡因就显得苍白无力了。Killgore et al. (2012) 发现咖啡因、右旋安非他命(dextroamphetamine)和莫达非尼(modafinil)均对缺觉被试在爱荷华赌博任务(经典的复杂决策任务)中的表现无显著帮助(即使这些药物都提高了被试的持续性注意和降低了主观困倦程度)(Killgore et al., 2012)。此外,在恢复性睡眠之后,被试的表现甚至略好于通宵前(估计是因为学习效应和睡眠巩固记忆效应)。同样的,咖啡因并不能改善通宵对道德判断 (Killgore et al., 2007)、随机数字生成任务 (一种较复杂的执行功能, Gottselig et al., 2006)、以及对幽默的觉知(Killgore et al., 2006)。

最后,通宵还会导致大脑奖赏系统紊乱,放大奖赏的效价(例如使 100 元钱看起来更加吸引力了)、降低对风险的辨别能力(更愿意参与赌博)、对负性刺激的反应也更加激烈(Frings, 2012; Gujar et al., 2011)。而由于咖啡因对伏隔核多巴胺的间接作用,可能会放大上述这些后果。

小结:

1、 咖啡因能有效缓解睡眠不足导致的注意力缺陷,这对于简单重复的认知活动会有帮助(比如开车)。

2、 在高级认知过程和执行功能上,咖啡因几乎不能缓解睡眠不足带来的影响。甚至还可能会放大睡眠不足在风险觉知、奖赏评估上的负性作用。(我个人觉得这是一个很危险的地方,因为个人的主观困倦程度降低了,你会以为自己处于正常状态,然而实际上并不是这样,这种认知偏差可能会造成一些严重后果)。

3、 对于睡眠不足的其它恶果,咖啡因并没有帮助,比如睡眠不足会导致压力激素的增加,从而增加患焦虑、抑郁的可能性,睡眠不足也会导致脂肪摄入的增加(Fang et al., 2015)。(至于更多睡眠不足的后果,且听下回分解)

4、 咖啡因具有潜在的成瘾性,一旦戒断会产生焦虑不安、失眠等反应。同样咖啡因也会有耐药性,长期服用会导致效果降低。

5、即使在服用咖啡因 5 小时或半衰期过后,仍 会导致之后的恢复性睡眠(recovery sleep)的质量降低 ,包括入睡困难、易醒、睡眠效率降低等等 (McHill et al., 2014)。

综上所述,如果有选择的话, 睡一觉再起来工作要远好于通宵熬夜喝咖啡

参考文献

Benitez PL, Kamimori GH, Balkin TJ, Greene A, Johnson ML. (2009). Chapter 16 Modeling Fatigue over Sleep Deprivation, Circadian Rhythm, and Caffeine with a Minimal Performance Inhibitor Model. 454 , 405-421. doi: 10.1016/s0076-6879(08)03816-0

Christie, W., Chen, L., Bolortuya, Y., Lee, E., McCarley, R., & Strecker, R. (2007, January). Introduction of the rat-psychomotor vigilance task (RPVT): Vigilance impairments produced by adenosine perfusion in the basal forebrain. In Sleep (Vol. 30, pp. A376-A377). ONE WESTBROOK CORPORATE CENTER STE 920, WESTCHESTER, IL 60154 USA: AMER ACADEMY SLEEP MEDICINE

Diekelmann, S., Landolt, H. P., Lahl, O., Born, J., & Wagner, U. (2008). Sleep loss produces false memories. PLoS One , 3 (10), e3512.

Fang Z, Spaeth AM, Ma N, Zhu S, Hu S, Goel N, et al. (2015). Altered salience network connectivity predicts macronutrient intake after sleep deprivation. Sci Rep, 5 , 8215. doi: 10.1038/srep08215

Frings D. (2012). The effects of sleep debt on risk perception, risk attraction and betting behavior during a blackjack style gambling task. J Gambl Stud, 28 (3), 393-403. doi: 10.1007/s10899-011-9266-9

Gottselig, J. M., Adam, M., Rétey, J. V., Khatami, R., Achermann, P., & LANDOLT, H. P. (2006). Random number generation during sleep deprivation: effects of caffeine on response maintenance and stereotypy. Journal of sleep research , 15 (1), 31-40.

Gujar N, Yoo SS, Hu P, Walker MP. (2011). Sleep deprivation amplifies reactivity of brain reward networks, biasing the appraisal of positive emotional experiences. J Neurosci, 31 (12), 4466-4474. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3220-10.2011

Joo EY, Yoon CW, Koo DL, Kim D, Hong SB. (2012). Adverse effects of 24 hours of sleep deprivation on cognition and stress hormones. J Clin Neurol, 8 (2), 146-150. doi: 10.3988/jcn.2012.8.2.146

Killgore WD, Grugle NL, Balkin TJ. (2012). Gambling when sleep deprived: don’t bet on stimulants. Chronobiol Int, 29 (1), 43-54. doi: 10.3109/07420528.2011.635230

Killgore, W. D., Killgore, D. B., Day, L. M., Li, C., Kamimori, G. H., & Balkin, T. J. (2007). The effects of 53 hours of sleep deprivation on moral judgment. SLEEP-NEW YORK THEN WESTCHESTER- , 30 (3), 345.

Killgore, W. D., McBride, S. A., Killgore, D. B., & Balkin, T. J. (2006). The effects of caffeine, dextroamphetamine, and modafinil on humor appreciation during sleep deprivation. SLEEP-NEW YORK THEN WESTCHESTER- , 29 (6), 841.

McHill, A. W., Smith, B. J., & Wright, K. P. (2014). Effects of caffeine on skin and core temperatures, alertness, and recovery sleep during circadian misalignment. Journal of biological rhythms , 29 (2), 131-143.

Ramakrishnan S, Laxminarayan S, Wesensten NJ, Kamimori GH, Balkin TJ, Reifman J. (2014). Dose-dependent model of caffeine effects on human vigilance during total sleep deprivation. J Theor Biol, 358 , 11-24. doi: 10.1016/j.jtbi.2014.05.017

Wyatt, J. K., Cajochen, C., Cecco, A. R. D., Czeisler, C. A., & Dijk, D. J. (2004). Low-dose repeated caffeine administration for circadian-phase-dependent performance degradation during extended wakefulness. SLEEP-NEW YORK THEN WESTCHESTER- , 27 (3), 374-382.

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