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《自然》子刊:打工人必看——常喝咖啡可改变大脑功能连接,且改变程度与咖啡摄入频率密切相关!| 临床大发现

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  奇点糕最近get了一个新词汇——续命式调休,说的是五一结束后面临调休的打工人只能靠一杯又一杯的咖啡续命,来扛过难捱的周六。

  不得不说,咖啡才是打工人永远的神啊~~~

  不过,喝了这么多年咖啡,您想过为啥咖啡有助于提神醒脑嘛?想过长期饮用咖啡对脑网络会有啥影响嘛?害,反正奇点糕是没想过…

  但是!还真的有大神去研究了!!!

  来自葡萄牙米尼奥大学的Nuno Sousa团队在Molecular Psychiatry期刊上发表重要研究成果[1],他们发现,常喝咖啡可改变大脑功能连接,且改变程度与咖啡摄入频率密切相关;但同时也会提高压力水平,还与男性焦虑有关

  这项研究区分了常喝咖啡人群和不常喝咖啡人群的大脑差异,并一定程度上,为咖啡改善运动控制、提高警觉性、帮助学习和记忆等方面提供了机制层面的解答。(简直是打开了新世界的大门啊啊啊)


  别看咖啡风靡全球&历史悠久,真要找找它对人类大脑长期影响的全面表征,还真是不容易。

  临床上有一种无创手段——功能性核磁共振成像(fMRI)可以研究人类大脑执行不同任务/休息时的功能状态。但很多既往研究都是通过fMRI去检测咖啡因摄入对大脑的畸性影响。

  比如说,在视觉运动任务期间,发现咖啡因引起不同皮层和皮层下区域的血氧依赖水平(BOLD)信号升高[2]; 在言语工作记忆任务中,发现咖啡因相关的前额叶和扣带回BOLD激活增加[3-4];而咖啡因导致的大脑熵增,可能意味着大脑处理能力的提高[5]。

  知识点:BOLD信号反映的是血液含氧量和活动区域血流量的变化。区域内神经元的激活降低区域内的血管含氧量,而脑血流后续补入新鲜的含氧血流,最终新鲜含氧血液的供应过剩造成BOLD信号的增加。

  仅有少数几项研究探究了咖啡因对静态功能连接(FC)的急性影响,并揭示了咖啡因诱导FC减少的总体趋势[6-7]。

  但长期咖啡摄入对大脑结构功能的慢性影响就非常匮乏了,毕竟想要探索咖啡的长期效果就不是简单地找人喝咖啡了,而是要把经常喝咖啡和不常喝咖啡的人聚到一块开展研究了。


  Nuno Sousa团队发现,只有2002年发表在《NeuroImage》的一篇文献做过相关报道[8]。研究者揭秘了不同咖啡饮用习惯与视觉皮层中BOLD信号之间的联系;但可惜没能进一步探索咖啡对大脑功能连接和静息态网络的影响

  于是乎,Nuno Sousa团队决定还是亲自上手开展研究。他们招募了2组志愿者,分别是习惯性饮用咖啡组(CD,N=31,每天至少一杯咖啡)和非习惯性饮用咖啡组(NCD,N=24,每周少于1杯咖啡)。

  因为要探究咖啡的长期影响,所以志愿者们在评估前3h禁服咖啡,以避免咖啡的急性影响。

  接下来,由认证的心理学家对志愿者们进行访谈,收集基线数据、咖啡饮用习惯等,并通过DASS-21量表评估他们心理状态。随后,志愿者们接受MRI检查,其中NCD组在第一轮检查后,饮用一杯50mL咖啡,30min后再进行一轮检查

  那么获取的海量MRI数据又该如何处理和分析呢?

  Nuno Sousa团队采用了3种分析方法:1)独立分量分析(Independent Component Analysis,ICA),2)基于网络的统计分析(Network-based Statistics,NBS),3)主导特征向量动力学分析(Leading Eigenvector Dynamics Analysis,LEiDA)。

  从ICA分析中发现,CD组在静息状态下的躯体感觉网络,边缘网络的功能连接(FC)显著低于NCD组,意味着CD人群具有更佳的运动控制和警觉性


  咖啡喝的越多,FC下降得越厉害,妥妥的负相关~

  NBS分析揭示了受习惯性咖啡摄入影响的大脑网络,这种广泛存在的FC减退网络,包括小脑、皮层下(纹状体和丘脑)以及运动皮层区域,与此前报道的急性摄入咖啡因效应部分相符


  丘脑(节点#262和#126)、小脑(左前小脑#245和双侧扁桃体#238和#119)、右中央后回(#33)、左颞中回(#197)、左中央前回(#160)、双侧尾状核(#260和#122)和壳核(#124和#261)受咖啡影响最大

  而LEiDA分析表明,CD组中某一特定状态(PL state 4)占据时间较长,包括小脑中的大量节点、视觉网络以及几个皮层下节点,例如双侧丘脑和海马旁回。

  研究还发现,在CD人群中观察到多个区域的动态活动增加,这有助于减少“神游“,提高专注力、学习和记忆能力


  通过动态FC分析,发现一个功能子系统(图3A,PL状态4)在CD中的持续时间(图3B,17.95±18.32秒)比饮用咖啡前的NCD (8.95±6.13秒)长得多

  神奇的是,以上种种改变都与咖啡摄入频率紧密相关,而且NCD人群在饮用咖啡后也会出现类似的改变,这说明咖啡具有短时间内引起大脑变化的能力

  当Nuno Sousa团队把目光投放到咖啡摄入与志愿者心理(压力、焦虑、抑郁)之间的关系时,他们发现,CD组的压力水平更高,同时压力水平与咖啡摄入频率呈正相关。有趣的是,研究还显示男性焦虑水平与咖啡摄入频率具有相关性

  想不到吧,原来男性焦虑水平和咖啡摄入频次还有不解之缘~

  尽管如此,咖啡与压力的因果关系仍难以推断。可能是更多的咖啡摄入提高了压力和焦虑水平,也可能是高度压力和焦虑导致了咖啡摄入的增加。

  来自丹麦哥本哈根大学的J. W. Langer评述道[9],习惯性咖啡摄入或许与更高水平的压力和焦虑相关。尽管这只是一种联系而非因果关系,但它提醒我们咖啡是一把双刃剑。

  参考文献:

  [1] Magalhães R, Picó-Pérez M, Esteves M, et al. Habitual coffee drinkers display a distinct pattern of brain functional connectivity [published online ahead of print, 2021 Apr 20]. Mol Psychiatry. 2021;10.1038/s41380-021-01075-4. doi:10.1038/s41380-021-01075-4.

  [2] Park CA, Kang CK, Son YD, et al. The effects of caffeine ingestion on cortical areas: functional imaging study. Magn Reson Imaging. 2014;32(4):366-371. doi:10.1016/j.mri.2013.12.018.

  [3] Haller S, Montandon ML, Rodriguez C, et al. Caffeine impact on working memory-related network activation patterns in early stages of cognitive decline. Neuroradiology. 2017;59(4):387-395. doi:10.1007/s00234-017-1803-5.

  [4] Koppelstaetter F, Poeppel TD, Siedentopf CM, et al. Does caffeine modulate verbal working memory processes? An fMRI study. Neuroimage. 2008;39(1):492-499. doi:10.1016/j.neuroimage.2007.08.037.

  [5] Chang D, Song D, Zhang J, Shang Y, Ge Q, Wang Z. Caffeine Caused a Widespread Increase of Resting Brain Entropy. Sci Rep. 2018;8(1):2700. Published 2018 Feb 9. doi:10.1038/s41598-018-21008-6.

  [6] Tal O, Diwakar M, Wong CW, et al. Caffeine-Induced Global Reductions in Resting-State BOLD Connectivity Reflect Widespread Decreases in MEG Connectivity. Front Hum Neurosci. 2013;7:63. Published 2013 Mar 4. doi:10.3389/fnhum.2013.00063.

  [7] Wong CW, Olafsson V, Tal O, Liu TT. Anti-correlated networks, global signal regression, and the effects of caffeine in resting-state functional MRI. Neuroimage. 2012;63(1):356-364. doi:10.1016/j.neuroimage.2012.06.035.

  [8] Laurienti PJ, Field AS, Burdette JH, Maldjian JA, Yen YF, Moody DM. Dietary caffeine consumption modulates fMRI measures. Neuroimage. 2002;17(2):751-757.

  [9]https://www.webmd.com/brain/news/20210427/coffee-drinking-tied-to-beneficial-brain-changes.



  本文作者 | Davina

  责任编辑 | 代丝雨

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