Кофеинов удар - ефект в човешкия мозък
Ефект в човешкия мозък
Кофеинът е най-широко използваното психоактивно вещество в света. Намира се като активна съставка в напитки като кафе, чай и така наречените енергийни напитки. Кофеинът може да повиши бдителността и бдителността, да намали сънливостта и да увеличи когнитивната ефективност. Невробиологичните му ефекти се дължат на антагонизиращите церебрални аденозинови рецептори. Едва наскоро стана възможно с помощта на молекулярни образни методи да се изследват активните места на кофеина директно в живия човешки мозък.
За основния производител на кофеин, завода за кафе, той е защитен токсин срещу насекоми. Според легендата пастирите на кози в царство Кафа, в днешна Етиопия, за първи път забелязват, че кофеинът има по-приятен ефект върху други организми. След като се насладиха на червените плодове на кафения храст, животните им бяха толкова оживени, че овчарите сами опитваха плодовете и след това превръщаха нощта в ден. През 17 век кафеното зърно - изпечено, смляно и преработено в напитка със страхотен вкус - започва триумфалния си поход към Европа и целия свят, известен по онова време. Кофеинът е най-широко използваното психоактивно вещество в света днес. Независимо от това, само частично е ясно защо кофеинът има стимулиращ ефект и къде
създава този ефект в мозъка. С използването на съвременни молекулярни образни процедури идва
отговорите на тези въпроси вече са по-близки.
Кофеинът блокира аденозиновите рецептори
Когато се описва как действа кофеинът, фокусът е най-вече върху острите стимулиращи ефекти. Като неселективен антагонист, кофеинът се свързва с церебралните аденозинови рецептори. G-протеиновите рецептори на аденозин (А1, А2А, А2В, А3) модулират u. а. ефективността на рецепторите на множество невротрансмитери - напр. Б. чрез промяна на проводимостта за К + и Са 2+ канали - както и клетъчния метаболизъм чрез влияние върху активността на аденилат циклаза и фосфолипаза С. Следователно аденозинът не трябва да се класифицира като невротрансмитер, а като невромодулатор, чиято концентрация се променя в зависимост от енергийния статус на клетките. Колкото по-висока е консумацията на енергия, толкова повече се увеличава концентрацията на аденозин, който също е продукт на разпадане на АТФ (аденозин трифосфат), важен доставчик на енергия за нервните и глиалните клетки.
Кофеинът блокира сигнала за сън
Друг ефект на аденозин може да бъде свързан с този механизъм за обратна връзка: По време на нефизиологично дълги периоди на будност, концентрацията на аденозин в мозъка се повишава постепенно и след това отново се намалява чрез спокоен сън. Това наблюдение доведе до хипотезата, че аденозинът може да бъде ключово вещество за нуждата от сън. Неговият ефект, предизвикващ съня, се медиира до голяма степен чрез подтип А1 на аденозиновите рецептори, който е повсеместно, но не хомогенно експресиран в мозъка. Кофеинът може ефективно да инхибира този механизъм и по този начин временно да намали нуждата от сън. Това не само съответства на личното възприятие на много пиещи кафе, но може да бъде демонстрирано и въз основа на типични промени в мозъчните вълни в електроенцефалографията (ЕЕГ).
Популация от холинергични неврони в базалния преден мозък е от особено значение за регулирането на заспиването. Клетките се проектират в големи области на неокортекса и контролират там u. а. входната чувствителност на кортикалните неврони. Аденозиновите рецептори от тип А1 са разположени върху невроните на холинергичната проекция, които значително се регулират след по-дълги периоди на будност или след лишаване от сън. Успяхме да потвърдим тези данни, получени в проучвания върху животни за хора, използвайки молекулярни образни методи. Интересното е обаче, че беше установено, че аденозиновият рецептор А1 при хора е значително увеличен и в други, особено неокортикални, части на мозъка след лишаване от сън. По този начин изглежда, че аденозинът участва в регулирането на хомеостатичната регулация на съня, т.е. H. в зависимост от невронната активност и енергийния метаболизъм, които да бъдат включени. В резултат на това кофеинът влияе на съответните за съня А1 рецептори както в базалния преден мозък, така и в неокортекса и по този начин забавя сигнала за сън.
Анатомия на свързването на кофеина
Фиг. 1 Позитронно-емисионен томограф (PET) в изследователския център Jülich.
Фиг. 2 ляво магнитно резонансно изображение (ЯМР) на страничния изглед на главата на тествано лице. Средните аденозинови рецептори (светлооранжеви), местата за свързване на кофеина са разпределени в целия мозък, особено в мозъка - тук са видими със специфичното вещество маркер [18F] CPFPX и PET. Точно след приложението на кофеин (тук 4,1 mg на kg телесно тегло) аденозиновите рецептори вече не се виждат с PET, тъй като кофеинът е изместил маркера от рецепторите. VT е мярка за веществото маркер.
Важна е дозата
В експеримента участниците в проучването получават различни дози кофеин интравенозно. Те съответстваха на обичайните количества кофеин, съдържащи се в две до четири чаши кафе. За по-добра контролируемост на експеримента кофеинът не се пие, а се прилага интравенозно, което също позволява адаптиране към теглото на изследваните лица и прецизно регулиране на концентрацията на кофеин в кръвта.
Прегледите с PET показаха, че кофеинът достига до мозъка без никакво забавяне и там измества молекулата на радиоактивния маркер от аденозиновите рецептори и че е невероятно ефективен. Количеството кофеин от средната дневна консумация на кафе (четири до пет чаши) е достатъчно, за да блокира около 50% от аденозиновите рецептори (фиг. 3). Следователно може да се приеме, че по-големи количества кафе предимно задействат или усилват страничните ефекти като ускоряване на сърдечната честота, повишаване на кръвното налягане или треперене, но не са в състояние допълнително да повишат когнитивната ефективност.
Това обаче се отнася само за рязко увеличаване на количеството кофеин. Тъй като има ефект на привикване:
Тези, които пият много кафе, често променят свързващия капацитет на рецепторите и поради това се нуждаят от по-висока доза кофеин, за да поддържат стимулиращите ефекти постоянни в дългосрочен план.
Фиг. 3 Връзка между концентрацията на кофеин в кръвта и заетостта на А1 аденозиновите рецептори в мозъка. Кофеинът в четири чаши кафе може да бъде достатъчен, за да блокира половината от всички места за свързване в мозъка.
Същата процедура от година на година?
Това отслабване на ефекта на кофеина се засилва от факта, че броят на аденозиновите рецептори намалява с течение на живота. В проучване с 36 тествани лица на възраст между 22 и 74 години, ние изследвахме концентрацията на аденозиновите рецептори в различни региони на мозъка. Установено е, че в много региони на мозъка z. Понякога е имало значително намаление (до 34%) в откриваемите рецептори. Средната загуба е 23%, което съответства на приблизително 5% на десетилетие от живота (фиг. 4). И двете явления, промяна в чувствителността и намаляване на концентрацията на аденозиновите рецептори, допринасят за факта, че ефектите на кофеина при много хора се променят по време на живота. Стимулиращите и забавящи съня ефекти се износват и понякога ефектите дори могат да бъдат обърнати.
Фиг. 4 Кофеинът се свързва с аденозиновите рецептори в мозъка, особено с количествено преобладаващия подтип А1. Концентрацията му намалява с около 5% на десетилетие от живота, което отслабва ефекта на кофеина.
Пристрастяване към кофеина?
Обикновено се предвижда стимулиращият ефект, който във високи дози може дори да бъде стимулиращ, но твърде много кофеин може да има и вредни ефекти. Те включват, по-специално, проблеми със съня, които са резултат от нарушаване на регулирането на съня и събуждането. За някои хора хроничната консумация на кафе води до зависимост, която дори може да причини симптоми на отнемане, когато „пристрастяващото вещество“ бъде спряно. Може да се предположи, че тези ефекти се медиират предимно чрез подтип A2A, който е пряко свързан с допаминергичната система за възнаграждение на мозъка. Въпреки това е удивително, че кофеинът има сравнително нисък потенциал за пристрастяване, въпреки че положително изпитаните и директно индуцируеми ефекти теоретично трябва да насърчават развитието на пристрастяване. Изясняването на механизмите, залегнали в основата на тази специфично "доброкачествена" форма на кофеинова зависимост, може да допринесе важен принос за изследванията на зависимостта.
Кафе скоро по рецепта?
Кората на асоциацията, като основно място за действие на кофеина, е и частта от главния мозък, в която страшният процес на разпадане на мозъка е особено забележим: болестта на Алцхаймер. Последните епидемиологични проучвания показват, че продължителната и редовна консумация на кафе може да бъде защитна срещу невродегенеративни заболявания. Възможният невропротективен ефект на кофеина обаче не е задължително да се медиира чрез невронални рецептори. Мозъчните съдове също имат аденозинови рецептори, които z. Б. понижават невронната активност при исхемични състояния и в същото време подобряват кръвоснабдяването на засегнатата тъкан. Съдов компонент отдавна се обсъжда за генезиса на болестта на Алцхаймер. Тук изглежда започва нова глава в хилядолетната история на кофеина.
Позитронно-емисионна томография (PET)
С PET, изображения на молекули и метаболитни процеси в организма, напр. Б. в мозъка, показва се и се записва количествено. За тази цел в кръвообращението се инжектират слабо радиоактивни вещества като молекулярни сонди, които могат да представляват определени протеини или метаболитни процеси. Радиоактивният сигнал се прави видим с PET устройство и се моделира със сложни методи за анализ, така че да е възможно количествено определяне на целевите структури.
Литература:
[1] Elmenhorst, D. et al. (2012) J. Nucl. Med. 53, 1723-1729
[2] Meyer, PT et al. [2006] Невробиол. Стареене. 28, 1914-1924