Wie wirkt sich Koffein auf das Nervensystem aus?

Im Mäusemodell konnten Forscher zeigen, dass die Wirkung von chronischem Koffein auf den Schlaf anders ist als die Wirkung von akutem Koffein. Die Auswirkungen auf den Schlaf-Wach-Zyklus sind komplex und die Wirkung auf den Blutfluss im Gehirn paradox. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf das Verständnis von Migräne und neurodegenerativen Krankheiten.

In Anbetracht der Tatsache, dass Koffein in vielem, was wir trinken, essen und als Nahrungsergänzungsmittel zu uns nehmen, enthalten ist - mag es überraschen, dass die Auswirkungen dieser beliebtesten psychoaktiven Substanz auf die Gehirnaktivität und das Verhalten nicht vollständig geklärt sind. Da Schlafstörungen auch bei Migräne eine Rolle spielen und es Hinweise darauf gibt, dass Koffein Migräneanfälle auslösen oder lindern kann, könnte ein besseres Verständnis von dieser Substanz auch Migräne-Betroffenen helfen.

Eine neue Studie verfolgt nun einen innovativen Ansatz, um die Auswirkungen von Koffein auf den Schlaf-Wach-Rhythmus und die Hirndurchblutung zu entschlüsseln, was nicht im Zusammenhang mit Migräne, sondern auch im Zusammenhang mit neurodegenerativen Erkrankungen von Bedeutung sein könnte.

Ein Forscherteam der University of California, Los Angeles, USA, verwendete ein neues, minimal invasives Mikrochip-/Videoüberwachungssystem bei sich frei bewegenden Mäusen, um mehr über diese Zusammenhänge zu erfahren.

Die Gruppe fand heraus, dass chronischer Koffeinkonsum komplexe Auswirkungen auf den Schlaf-Wach-Rhythmus – einschliesslich Auswirkungen auf den REM-Schlaf – und eine paradoxe Auswirkung auf den Blutfluss im Gehirn hat. Die Art der Veränderungen des Blutflusses hing von der Phase des Schlaf-Wach-Zyklus ab, in der sich die Tiere befanden.

Die Ergebnisse der Forscher deuten auf mögliche neuroprotektive Wirkungen von chronischem Koffein hin. Die Erkenntnisse könnten möglicherweise dazu beitragen, dass Ärzte ihren Migränepatienten bessere Ratschläge zu Schlaf und Koffein geben.

Ein technologischer Fortschritt

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass das «wache» Gefühl, das Koffein hervorruft, von seinem Antagonismus an den Adenosinrezeptoren herrührt. Es ist jedoch schwierig, die genauen Auswirkungen von Koffein auf das Nervensystem zu verstehen, da sein Einfluss je nach Tag-Nacht-Zyklus variiert. Die Frage, ob Koffein akut oder chronisch verabreicht wird, verkompliziert das Bild ebenfalls.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Methoden zur Bewertung der Auswirkungen von Koffein wie beispielsweise die Elektroenzephalografie (EEG), mit der die Gehirnaktivität während der verschiedenen Schlafphasen gemessen werden kann, bei Tieren invasiv sind. Um beispielsweise Elektroden für EEG-Messungen an Nagetieren anzubringen, musste normalerweise der Schädel aufgeschnitten werden.

Die Autoren haben jedoch vor kurzem ein minimalinvasives Mikrochip-/Videosystem entwickelt, um solche Hürden zu überwinden. Der neue Ansatz ermöglicht die kontinuierliche, langfristige Aufzeichnung der neurovaskulären Aktivität, der Herzfrequenz und der Bewegungen von Mäusen, die sich frei bewegen. Im Gegensatz zum EEG können die Forscher den Mikrochip anbringen, ohne den Schädel zu eröffnen.

Koffein führt zu anderem – aber nicht zu weniger – Schlaf

Die Forscher brachten den Mikrochip an C57B16-Mäusen an und überwachten dann den Schlaf- und Wachzustand der Tiere. Wie die meisten anderen Mäusestämme schliefen die C57B16-Mäuse typischerweise während der hellen Perioden und waren während der dunklen Perioden wach – abgesehen von einer zwei- bis dreistündigen «Siesta» (einschliesslich REM-Schlaf) etwa acht Stunden nach Beginn der dunklen Periode.

Die Entdeckung der Siesta hat das Interesse der Forscher geweckt

«Es stellt sich die Frage, ob die Siesta bei bestimmten Personen genetisch programmiert sein könnte. Wir raten unseren Patienten oft, während einer Migräneattacke kein Nickerchen zu machen, auch wenn sie das Bedürfnis dazu hätten, weil das für manche Menschen ein Auslöser sein kann. Aber vielleicht gibt es Patienten, bei denen ein Nickerchen ihrem natürlichen Schlafmuster entspricht, und deshalb sollten wir ihnen das nicht verbieten.»

Nach der Erfassung der Ausgangsdaten fügten die Forscher dem Trinkwasser der Mäuse über einen Zeitraum von vier Wochen immer grössere Mengen Koffein hinzu. Die Mengen entsprachen fünf bis 20 Tassen Kaffee pro Tag beim Menschen, wobei Unterschiede in der Lebergrösse und im Stoffwechsel berücksichtigt wurden.

Die Gesamtzeit, die die Tiere im Wach- und Schlafzustand verbrachten, änderte sich durch chronisches Koffein nicht. Die Ruhe- und die aktive (meist wache) Phase verschoben sich um bis zu zwei Stunden im Verhältnis zum Hell-Dunkel-Zyklus – d. h. die Ruhephase begann später im Verhältnis zur hellen Periode und erstreckte sich länger in die dunkle Periode hinein, wobei die gleichen Veränderungen für die aktive Phase im Verhältnis zur dunklen Periode beobachtet wurden.

In ähnlicher Weise veränderte chronisches Koffein die Gesamtmenge des REM-Schlafs der Mäuse über einen Zeitraum von 24 Stunden nicht. Es verkürzte jedoch den REM-Schlaf in der Siesta-Phase, in einigen Fällen wurde er sogar ganz aufgehoben, und es verzögerte den Beginn des REM-Schlafs während der normalen Schlafphasen.

«Bezieht man diese Ergebnisse auf den Menschen, dann widerlegen diese Ergebnisse die Theorie, dass die Beeinträchtigung des Schlafs durch Koffein auf eine verminderte Schlafqualität zurückzuführen ist. Da die meisten Menschen aber nicht den Luxus haben, am Morgen auszuschlafen, werden sie den Eindruck haben, dass sie nicht so gut geschlafen haben, auch wenn die Qualität des Schlafs eigentlich gleich oder besser ist»

Ein paradoxer und potenziell schützender Prozess

Chronisches Koffein wirkte sich auch auf das zerebrale Blutvolumen (CBV; ein indirektes Mass für die neuronale Aktivität) aus – es erhöhte das durchschnittliche CBV im letzten Teil der Ruhephase trotz der Konsolidierung des Schlafs und verringerte das CBV im letzten Teil der aktiven Phase. Normalerweise würde man erwarten, dass die CBV während des Schlafs abnimmt und in der aktiven Phase zunimmt.

Der Studienleiter Charles ist der Ansicht, dass dieser paradoxe Befund für die Migränepatienten, die er in der Klinik behandelt, relevant sein könnte. «Mein Ansatz ist es, zu sagen: Okay, ihr könnt Koffein zu euch nehmen, aber nehmt es vor dem Mittag zu euch und haltet die Mengen von Tag zu Tag konstant», damit die Patienten keine anhaltenden Entzugserscheinungen entwickeln würden, auch wenn sie nachts relative Entzugserscheinungen hätten, bei denen die Erhöhung der Hirndurchblutung eine gute Sache sein könnte.

Die «gute Sache», auf die sich Charles bezog, ist die mögliche neuroprotektive Wirkung von Koffein durch seine Auswirkungen auf die CBV. «Das ist faszinierend, denn es könnte sowohl für Migräne als auch für neurodegenerative Erkrankungen von Bedeutung sein, bei denen man annimmt, dass die erhöhte Hirndurchblutung während des Schlafs dazu beitragen könnte, Abfallstoffe aus dem Gehirn zu schaffen.» Frühere Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass Koffein das Risiko neurodegenerativer Erkrankungen, insbesondere der Parkinson-Krankheit, verringern kann.

Die Forscher sind sich nicht sicher, was der Grund für die paradoxe Wirkung von Koffein auf die CBV sein könne, vermuten aber, dass sie auf die einzigartigen Auswirkungen von Adenosin auf die neuronale und vaskuläre Aktivität zurückzuführen ist.

Referenz
Aframian et al.. Auswirkungen von chronischem Koffein auf die Muster des Blutflusses im Gehirn und das Verhalten während des Schlaf-Wach-Zyklus bei frei lebenden Mäusen. PNAS Nexus. 2023 Sep 19;2(9):pgad303.