Lovitura de cafeină - efect în creierul uman

Efect în creierul uman

Cofeina este cea mai utilizată substanță psihoactivă din lume. Se găsește ca ingredient activ în băuturi precum cafea, ceai și așa-numitele băuturi energizante. Cofeina poate crește vigilența și vigilența, reduce somnolența și crește performanța cognitivă. Efectele sale neurobiologice sunt atribuite receptorilor de adenozină cerebrală antagonizanti. Abia recent a devenit posibil, cu ajutorul metodelor de imagistică moleculară, examinarea siturilor active ale cofeinei direct în creierul uman viu.

Pentru principalul producător de cofeină, planta de cafea, este o toxină de protecție împotriva insectelor. Potrivit legendei, păstorii de capre din regatul Kaffa, în ceea ce este acum Etiopia, au observat mai întâi că cofeina are un efect mai plăcut asupra altor organisme. După ce s-au bucurat de fructele roșii ale tufișului de cafea, animalele lor erau atât de vii încât păstorii au încercat singuri fructele și apoi au transformat noaptea în zi. În secolul al XVII-lea, boabele de cafea - prăjite, măcinate și transformate într-o băutură grozavă cu gust - și-au început marșul triumfal către Europa și întreaga lume cunoscută la acea vreme. Cofeina este cea mai utilizată substanță psihoactivă din lume astăzi. Cu toate acestea, este doar parțial clar de ce cofeina are un efect stimulant și unde
creează acest efect în creier. Odată cu utilizarea procedurilor moderne de imagistică moleculară vine
unul mai aproape de a răspunde la aceste întrebări.

Cofeina blochează receptorii de adenozină

Atunci când descriem cum funcționează cofeina, accentul se pune mai ales pe efectele stimulatoare acute. Ca antagonist neselectiv, cofeina se leagă de receptorii cerebrali ai adenozinei. Receptorii de adenozină cuplați la proteina G (A1, A2A, A2B, A3) modulează u. A. eficiența receptorilor a numeroși neurotransmițători - de ex. B. prin schimbarea conductivității canalelor K + și Ca 2+ - precum și a metabolismului celular prin influențarea activității adenilat ciclazei și fosfolipazei C. Prin urmare, adenozina nu trebuie clasificată ca neurotransmițător, ci ca neuromodulator, a cărui concentrație se modifică în funcție de starea energetică a celulelor. Cu cât consumul de energie este mai mare, cu atât crește concentrația de adenozină, care este, de asemenea, un produs de descompunere a ATP (adenozin trifosfat), un important furnizor de energie pentru celulele nervoase și gliale.

Cofeina blochează semnalul de somn

Un alt efect al adenozinei poate fi legat de acest mecanism de feedback: în perioadele de veghe nefiziologic lungi, concentrația de adenozină din creier crește treptat și este apoi redusă din nou prin somn odihnitor. Această observație a condus la ipoteza că adenozina ar putea fi o substanță cheie pentru nevoia de somn. Efectul său de inducere a somnului este în mare măsură mediat prin intermediul subtipului A1 al receptorilor de adenozină, care este omniprezent dar nu omogen exprimat în creier. Cofeina poate inhiba în mod eficient acest mecanism și astfel reduce temporar nevoia de somn. Acest lucru nu corespunde doar percepției personale a multor consumatori de cafea, dar poate fi demonstrat și pe baza modificărilor tipice ale undelor creierului în electroencefalografie (EEG).

O populație de neuroni colinergici din creierul bazal are o importanță deosebită în reglarea adormirii. Celulele se proiectează în zone mari ale neocortexului și controlează acolo. A. sensibilitatea de intrare a neuronilor corticali. Receptorii de adenozină de tip A1 sunt localizați pe neuronii de proiecție colinergică, care sunt în mod semnificativ reglați în sus după perioade mai lungi de veghe sau după lipsa de somn. Am putut confirma aceste date obținute în studii pe animale pentru oameni, folosind metode de imagistică moleculară. Interesant, totuși, s-a constatat că receptorul A1 de adenozină la om a fost, de asemenea, crescut semnificativ în alte părți ale creierului, în special neocorticale, după lipsa de somn. Adenozina pare a fi implicată în reglarea reglării homeostatice a somnului, adică H. în funcție de activitatea neuronală și de metabolismul energetic care trebuie implicat. Ca rezultat, cofeina influențează receptorii A1 relevanți pentru somn atât în creierul bazal, cât și în neocortex și întârzie astfel semnalul de somn.

Anatomia legării cofeinei

Fig. 1 Tomograf cu emisie de pozitroni (PET) în Centrul de Cercetare Jülich.

Fig. 2 imagistica prin rezonanță magnetică stângă (RMN) a vederii laterale a capului unei persoane testate. Receptorii adenozinici mijlocii (portocaliu deschis), locurile de legare pentru cofeină sunt distribuite pe tot creierul, în special în creier - făcute vizibile aici cu substanța marker specifică [18F] CPFPX și PET. Imediat după administrarea cofeinei (aici 4,1 mg per kg de greutate corporală), receptorii adenozinei nu mai sunt vizibili cu PET, deoarece cofeina a deplasat substanța marker din receptori. TV este o măsură a substanței marker.

Doza este cea care contează

În experiment, participanților la studiu li s-au administrat intravenos doze diferite de cofeină. Acestea corespundeau cantităților obișnuite de cofeină conținute în două până la patru căni de cafea. Pentru o mai bună controlabilitate a experimentului, cofeina nu a fost băută, ci administrată intravenos, ceea ce a permis, de asemenea, o adaptare la greutatea subiecților testați și o ajustare precisă a concentrației de cofeină din sânge.

Examinările PET au arătat că cofeina ajunge la creier fără întârziere și că deplasează molecula radioactivă a receptorilor de adenozină și că este uimitor de eficientă. Cantitatea de cofeină dintr-un consum mediu zilnic de cafea (patru până la cinci căni) este suficientă pentru a bloca aproximativ 50% din receptorii de adenozină (Fig. 3). Prin urmare, se poate presupune că cantități mai mari de cafea declanșează sau intensifică în primul rând efectele secundare, cum ar fi accelerarea ritmului cardiac, creșterea tensiunii arteriale sau tremurături, dar nu sunt capabile să sporească în continuare performanța cognitivă.

Cu toate acestea, acest lucru se aplică numai unei creșteri acute a cantității de cofeină. Deoarece există un efect de obișnuință:
Cei care beau multă cafea schimbă adesea capacitatea de legare a receptorilor și, prin urmare, au nevoie de o doză mai mare de cofeină pentru a menține efectele stimulante constante pe termen lung.

Fig. 3 Relația dintre concentrația de cofeină din sânge și ocuparea receptorilor A1 de adenozină din creier. Cofeina din patru cești de cafea poate fi suficientă pentru a bloca jumătate din toate locurile de legare din creier.

Aceeași procedură de la an la an?

Această slăbire a efectului cofeinei este intensificată de faptul că numărul receptorilor de adenozină scade pe parcursul vieții. Într-un studiu cu 36 de persoane testate cu vârste cuprinse între 22 și 74 de ani, am examinat concentrația receptorilor de adenozină în diferite regiuni ale creierului. S-a constatat că în multe regiuni ale creierului z. Uneori au existat scăderi semnificative (până la 34%) la nivelul receptorilor detectabili. Pierderea medie a fost de 23%, ceea ce corespunde cu aproximativ 5% pe deceniu de viață (Fig. 4). Ambele fenomene, o modificare a sensibilității și o scădere a concentrației receptorilor de adenozină, contribuie la faptul că efectele cofeinei la mulți oameni se schimbă pe parcursul vieții. Efectele stimulante și de întârziere a somnului se epuizează și uneori efectele pot fi chiar inversate.

Fig. 4 Cofeina se leagă de receptorii adenozinici din creier, în special subtipul A1 predominant cantitativ. Concentrația sa scade cu aproximativ 5% pe deceniu de viață, ceea ce slăbește efectul cofeinei.

Dependentă de cofeină?

De obicei se dorește un efect stimulant, în doze mari, chiar stimulant, dar prea multă cofeină poate avea și efecte dăunătoare. Acestea includ, în special, problemele de somn care rezultă din întreruperea reglării somn-veghe. Pentru unii oameni, consumul cronic de cafea duce la o dependență care poate provoca chiar și simptome de sevraj atunci când „substanța de dependență” este oprită. Se poate presupune că aceste efecte sunt mediate în primul rând prin subtipul A2A, care este direct legat de sistemul de recompensă dopaminergică al creierului. Cu toate acestea, este uimitor faptul că cofeina are un potențial relativ scăzut de dependență, deși efectele pozitiv experimentate și direct inductibile ar trebui să încurajeze teoretic dezvoltarea dependenței. Clarificarea mecanismelor care stau la baza acestei forme specific „benigne” a dependenței de cofeină poate aduce o contribuție importantă la cercetarea dependenței.

Cafea pe bază de rețetă în curând?

Cortexul de asociere, ca principal loc de acțiune al cofeinei, este și partea cerebrală în care se remarcă în mod deosebit un temut proces de dezintegrare a creierului: boala Alzheimer. Studii epidemiologice recente indică faptul că consumul de cafea pe termen lung și regulat ar putea fi protector împotriva bolilor neurodegenerative. Cu toate acestea, un posibil efect neuroprotector al cofeinei nu trebuie neapărat să fie mediat prin intermediul receptorilor neuronali. Vasele cerebrale au și receptori de adenozină care z. B. reduceți activitatea neuronală în condiții ischemice și în același timp îmbunătățiți aportul de sânge la țesutul afectat. O componentă vasculară a fost mult timp discutată pentru geneza bolii Alzheimer. Un nou capitol din istoria milenară a cofeinei pare să înceapă aici.

Tomografie cu emisie de pozitroni (PET)

Cu PET, imagini ale moleculelor și ale proceselor metabolice din organism, de ex. B. în creier, reprezentat și înregistrat cantitativ. În acest scop, substanțele slab radioactive sunt injectate în fluxul sanguin sub formă de sonde moleculare, care pot reprezenta anumite proteine sau procese metabolice. Semnalul radioactiv este vizibil cu un dispozitiv PET și modelat cu metode complexe de analiză, astfel încât să fie posibilă o determinare cantitativă a structurilor țintă.

Literatură:
[1] Elmenhorst, D. și colab. (2012) J. Nucl. Med. 53, 1723-1729
[2] Meyer, PT și colab. [2006] Neurobiol. Îmbătrânire. 28, 1914-1924