你是否有过这样的夜晚：项目截止、论文未完、PPT还空着，凌晨一点，你拖着疲惫的身体走向厨房，倒上一杯浓烈的咖啡，心里安慰自己，“只要再撑一会就行了”。
咖啡，这个日常中最常见的提神“法宝”，被许多人称为“社会合法的兴奋剂”。但我们对它的了解真的足够吗？尤其是在我们闭上眼睛、沉入睡眠之后，它是否仍在默默地“操纵”我们的大脑？
近日，一项来自加拿大的研究，以精细的脑电图（EEG）数据、复杂的算法分析、以及“年轻人 vs 中年人”的设计，为这个问题提供了令人惊讶的科学答案，研究人员发现咖啡在睡眠中，会悄悄改变你的大脑复杂性和临界状态，而且对年轻人影响更大。该研究题为“Caffeine induces age-dependent increases in brain complexity and criticality during sleep”，发表在Nature子刊Communications Biology杂志。
图1：标题
一、研究背景
咖啡因是全球最常见的精神活性物质之一，它能够通过拮抗腺苷受体提升警觉性和认知表现。然而，它对睡眠中大脑活动的影响仍不完全清楚。既往研究发现，咖啡会减少慢波睡眠（SWS）并增加浅睡阶段（N1和N2），但多数研究聚焦于脑电波频谱的变化，而对大脑“复杂性”（complexity）与“临界性”（criticality）这两个关键神经动力学指标的研究相对匮乏。
复杂性和临界性是神经系统功能状态的反映，高复杂性和接近“临界点”的脑动态往往与灵活的信息处理能力有关，而这是否会在睡眠中受到咖啡因影响，是当前研究的空白。因此，本研究旨在揭示咖啡因是否在睡眠状态下提升脑电复杂性、改变大脑临界性，特别关注REM与NREM睡眠的异同，以及年龄对咖啡影响的调节作用。
二、实验设计
研究团队来自加拿大蒙特利尔大学的脑科学中心，他们找来了40位健康的成年人（20-58岁），其中一半是年轻人（20-27岁），一半是中年人（41-58岁）。
每位参与者在两个不连续的晚上被安排到睡眠实验室过夜，分别接受两种处理：
一次服用200mg的咖啡因（大约1-2杯咖啡的量）；
一次服用外观一致的安慰剂。
实验在严格控制的环境下进行：EEG脑电图全程记录，划分出快速眼动期（REM）和非快速眼动期（NREM），并对每一阶段的大脑活动进行细致分析。
研究的核心指标包括：
脑电谱功率（power spectrum）；
复杂性指标：如样本熵（SampEn）、Lempel-Ziv复杂度（LZc）；
临界性指标：如功率谱斜率（1/f slope）、DFA（Detrended Fluctuation Analysis）指数。
三、实验结果
在这项研究中，研究者比较了40名参与者在摄入咖啡因与安慰剂后的睡眠脑电变化，发现咖啡因在NREM睡眠期间显著降低了δ、θ、α波段功率，同时增加了β波功率，尤其集中在顶叶和额叶区域；REM阶段则主要表现为θ波功率下降。
图2：睡眠期间（NREM 和 REM）的大脑活动模式。
为准确识别咖啡对脑电的影响，研究特别校正了频谱中的非周期成分（即1/f斜率），结果显示校正后能更敏感地揭示咖啡诱导的频段变化。这种频谱斜率的变化表明，咖啡可能影响了大脑的临界性状态与信号自相似性。以上结果表明咖啡在睡眠中仍持续改变大脑节律活动，尤其通过影响频谱结构，重塑神经动态特征。
图3：评估非周期分量斜率变化对典型频带中频谱功率的影响。
进一步研究发现，咖啡因在NREM睡眠阶段显著提高了大脑电信号的复杂性（如谱熵、样本熵、LZ复杂度）并降低临界性指标（如DFA指数和1/f斜率），表现出向“临界状态”迁移的趋势。这些变化在REM期则较为局限。随机森林模型显示，复杂性特征（特别是LZc和SpecSampEn）在识别咖啡与安慰剂条件中最具区分力，准确率达75%，优于频谱特征，提示咖啡对睡眠大脑动态有深刻影响。
图4：NREM 和 REM 睡眠期间大脑各区域的特征重要性
此外，研究显示，咖啡因对年轻人REM睡眠阶段的大脑复杂性与临界性影响更显著，而中年人几乎无反应；NREM阶段两组均有变化，但年轻人反应更强。基线分析表明中年人本身脑电复杂性较高，可能使其对咖啡因敏感性降低，提示年龄会调节咖啡对睡眠脑动态的影响。
四、总结
本研究首次揭示，咖啡不仅在白天提神，在睡眠中也显著改变大脑活动。研究发现，咖啡摄入可显著提升NREM睡眠阶段的大脑复杂性，并使神经活动向“临界状态”偏移，表现为更高的信息整合与敏感性。这种变化在年轻人REM睡眠中更为明显，或与腺苷A1受体随年龄下降有关。研究还提出咖啡通过影响兴奋-抑制平衡（E:I）机制重塑脑动态，为理解咖啡对睡眠与大脑健康的长期影响提供了新线索。
来源:https://www.nature.com/articles/s42003-025-08090-z/figures/4
撰写：Catherine
编辑：小饼干
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