カフェインを夜遅くに飲むのは不向きであることは知られているが、今回カナダのモントリオール大学認知・計算神経科学研究所とケベック大学人工知能研究所の研究チームが、カフェインが睡眠中の脳に与える影響を詳細に解明した研究結果を発表した。

研究は同大学のPhilipp Thölke研究員、Karim Jerbi教授、Julie Carrier教授らが実施した。40名の健康な成人（20〜27歳の若年層と41〜58歳の中年層）を対象に、就寝3時間前と1時間前に200ミリグラム（コーヒー1〜2杯分）のカフェインまたはプラセボを投与し、脳電図（EEG）と人工知能を用いて2晩の睡眠中の脳活動を比較分析した。その結果、カフェインは脳信号の複雑性を増加させ、脳を「臨界性」と呼ばれる覚醒・警戒状態に近づけることが判明した。

この臨界状態とは、脳の構造と柔軟性のバランスが取れている状態を指し、情報処理、学習、意思決定において最も効率的な状態と考えられている。しかし、この状態は安眠を妨げる可能性があるとされ、研究では20〜27歳の若年成人でこの効果が顕著に現れた。

さらに分析を進めたところ、カフェインは深い回復的睡眠の指標であるデルタ波、シータ波、アルファ波を弱め、覚醒時に見られるベータ波活動を刺激し、記憶の定着と認知機能の回復に重要なノンレム睡眠段階での脳の回復効率を低下させることが明らかになった。

From: Caffeine Has a Weird Effect on Your Brain While You’re Asleep

【編集部解説】

この研究は、カフェインが単に覚醒を促すだけでなく、睡眠中の脳の根本的な動作メカニズムを変化させるという画期的な発見を示しています。モントリオール大学の研究チームが人工知能と脳電図を組み合わせて解明したのは、カフェインが脳を「臨界性」と呼ばれる特殊な状態に押し上げる現象でした。

この「臨界性」とは、脳が秩序と混沌の境界線上で動作する状態を指します。研究者のKarim Jerbi教授は「オーケストラのようなもの」と表現しており、静かすぎれば何も起こらず、混沌としすぎれば不協和音になるが、適切なバランスが保たれた時に最高のパフォーマンスを発揮するというものです。

注目すべきは、この効果が年齢によって大きく異なることです。20-27歳の若年層では、41-58歳の中年層と比較して、カフェインに対する脳の反応が著しく強く現れました。これは若い脳により多く存在するアデノシン受容体が関係していると考えられています。

技術的な革新性について

この研究で使用された解析手法は、従来の睡眠研究を大きく前進させるものです。人工知能を活用した脳信号の複雑性解析により、これまで検出できなかった微細な神経活動の変化を捉えることが可能になりました。特に、マルチスケールエントロピー（MSE）やデトレンド変動解析（DFA）といった高度な統計手法を用いることで、カフェインの真の影響を明らかにする上で重要な役割を果たしています。

社会への影響と実用性

この発見は、現代社会におけるカフェイン摂取の在り方を根本的に見直すきっかけとなるでしょう。特に、記憶の定着や認知機能の回復に重要なノンレム睡眠段階での影響が明らかになったことで、学習効率や仕事のパフォーマンスに関する新たな指針が必要になります。

エナジードリンクの普及により若年層のカフェイン摂取量が増加している現状を考えると、この研究結果は教育現場や職場環境の改善に直結する可能性があります。

潜在的なリスクと課題

一方で、この研究が示すリスクも軽視できません。カフェインが睡眠中の脳の回復プロセスを阻害することで、長期的な認知機能や記憶処理能力に悪影響を与える可能性が示唆されています。特に若年層への影響が強いことから、発達段階にある脳への長期的な影響についてはさらなる研究が必要です。

今後の展望

この研究は、個人の年齢や体質に応じたカフェイン摂取の最適化につながる可能性を秘めています。将来的には、脳波パターンの個人差を考慮したパーソナライズされたカフェイン摂取ガイドラインの策定や、より効果的な覚醒促進物質の開発にも応用できるかもしれません。

また、この研究手法は他の精神作用物質の脳への影響解明にも応用可能であり、神経科学分野全体の発展に寄与することが期待されます。

【用語解説】

臨界性（Criticality）
脳が秩序と混沌の境界線上で動作する状態。情報処理、学習、意思決定において最も効率的とされる脳の動作状態である。

ノンレム睡眠（NREM睡眠）
Non-Rapid Eye Movement睡眠の略。主として脳の休息に関わる睡眠状態で、眠りの深さによって3つの段階（N1、N2、N3）に分けられる。記憶の定着と認知機能の回復に重要な役割を果たす。

脳電図（EEG）
脳の電気活動を記録する検査法。頭皮に電極を装着して脳波を測定し、睡眠状態や脳の活動パターンを解析できる。

デルタ波
0.5Hz～4Hz未満のゆっくりした大きな波形を示す脳波。熟睡した状態の時に出現し、深い回復的な睡眠の指標とされる。

シータ波
4-8Hzの脳波で、眠気を感じる時や浅い眠りの時に見られる。ウトウトした状態を示す指標である。

アルファ波
8-13Hzの脳波で、脳がリラックスしている時に主体となる。就寝前の理想的な状態とされる。

ベータ波
13-30Hzの脳波で、脳が活動状態の時に出現する。覚醒時や精神集中の状態でよく見られる。

アデノシン受容体
アデノシンが結合する受容体。A1、A2A、A2B、A3の4種が知られており、睡眠の調節に重要な役割を果たす。若い脳により多く存在する。

マルチスケールエントロピー（MSE）
脳信号の複雑性を定量化する解析手法。多時間軸を用いて複数の周波数帯域における脳信号の複雑性を測定できる。

デトレンド変動解析（DFA）
時系列データの長期相関を定量化する統計手法。脳波の臨界性を評価する際に用いられる。

【参考リンク】

モントリオール大学（外部）
カナダ・ケベック州にある1878年創立の国立大学。学生数約67,000人を擁する総合大学

ケベック大学人工知能研究所（Mila）（外部）
モントリオールを拠点とする世界最大級の大学系AI研究所。深層学習研究の拠点

【参考動画】

【参考記事】

コーヒーに含まれるカフェインが脳の身体的·認知的回復を妨げる（外部）
韓国メディアによる同研究の報道。カフェインの睡眠中の臨界性強化について詳細解説

【論文紹介】コーヒーで眠る脳が覚醒？―睡眠中の脳活動がカフェインで変わる話（外部）
研究論文の詳細な解説記事。研究手法、結果、意義について専門的視点から分析

コーヒーは眠っている脳にどのような影響を与えるのか？（外部）
カフェインが睡眠中の脳信号の複雑さを増加させる研究結果について簡潔にまとめた記事

【編集部後記】

この研究結果を読んで、ご自身の睡眠とカフェイン摂取のパターンを振り返ってみませんか？特に20代の方は、夕方以降のコーヒーやエナジードリンクが翌日のパフォーマンスにどう影響しているか、実感として感じることはありますか？また、年齢を重ねるにつれてカフェインへの反応が変わったと感じる方もいらっしゃるでしょう。みなさんの体験談や、この研究を受けて試してみたい睡眠習慣の改善案があれば、ぜひSNSで共有していただけると嬉しいです。

ヘルスケアテクノロジーニュースをinnovaTopiaでもっと読む