Wo Koffein im menschlichen Gehirn wirkt
Koffein ist die weltweit gebräuchlichste psychoaktive Substanz und ein aktiver Bestandteil einer Vielzahl von Getränken (Tee, Kaffee) und Speisen (Schokolade). Seine neurobiologischen Effekte umfassen hauptsächlich eine stimulierende Wirkung auf Vigilanz, Aufmerksamkeit, kognitive Leistungsfähigkeit und zerebrale Durchblutung. Es ist bekannt, dass Koffein die Schläfrigkeit reduziert, die Einschlaflatenz verlängert und die Dauer von Wachphasen nach Einsetzen des Schlafes verlängert. Die biologischen Wirkungen von Koffein werden den antagonisierenden Effekten an zerebralen Adenosinrezeptoren zugeschrieben.
Wo genau Koffein im menschlichen Gehirn bindet und seine Wirkung entfaltet, konnten wir mithilfe der Positronenemissionstomographie (PET) zeigen. Wir injizierten den Versuchspersonen zunächst den Marker (Radioligand), dessen Wirkstellen im Gehirn mithilfe der PET-Untersuchung zu erkennen sind. Danach erhielten die Studienteilnehmer unterschiedliche Koffeinmengen intravenös verabreicht, deren Dosierung gebräuchlichen Mengen zwischen zwei und vier Tassen Kaffee entsprach.
Die PET-Aufnahmen zeigten, dass sich der Radioligand an einer ganz spezifischen „Andockstelle“ der Nervenzellen - dem sogenannten A1-Adenosinrezeptor – anreicherte. Koffein verdrängt den Radioliganden und blockiert die Rezeptoren. Es reicht bereits die Menge eines durchschnittlichen täglichen Koffeinkonsums, beispielsweise vier bis fünf Tassen Kaffee, um etwa 50 Prozent der Adenosinrezeptoren zu blockieren. Da Adenosin normalerweise die Nervenzellaktivität hemmt, führt die Blockade mit Koffein zu einer Enthemmung, also einer Aktivierung der Nervenzellen.
Abb. 1: Beispiel eines parametrischen Bild des Verteilungsvolumens eines Probanden vor und nach der Gabe von 4,1 mg/kg Koffein. Die obere Reihe zeigt das anatomische MRT-Bild des Gehirns des Probanden, in welches bestimmte Hirngebiete für eine regionale Analyse der Koffeinwirkung eingezeichnet wurden.
Abb. 2: Dosisabhängige Verdrängung von [18F]CPFPX durch Koffein im frontalen Kortex. Das Verteilungsvolumen pro Messzeit ist für vier verschiedene Probanden aufgetragen, die unterschiedliche Dosen von Koffein (zwischen 90 und 100 min) erhielten.
Abb. 3: Zusammenhang zwischen der Konzentration von Koffein im Blutplasma und der Belegung von A1-Adenosinrezeptoren (n=16). Die Bestimmung erfolgte in verschiedenen Hirnregionen mit dem sogenannten Lassen-Plot. Die Linie entspricht dem Fit, der benutzt wurde, um eine 50%ige Belegung abzuschätzen.
Die Ergebnisse der Studie wurden hier veröffentlicht:
Elmenhorst D, Meyer PT, Matusch A, Winz OH, Bauer A (2012). Caffeine Occupancy of Human Cerebral A1-Adenosine Receptors: In Vivo Quantification with [18F]CPFPX and PET. J Nucl Med. 53(11):1723-1729.