Koffein ist eines der weltweit am häufigsten konsumierten Genussmittel. Oft wird es in Form von Kaffee konsumiert, ist aber auch in vielen anderen Lebensmitteln und Getränken zu finden. In Mengen, wie sie in einer Tasse Kaffee oder einem Cola-Getränk enthalten sind, wirkt Koffein psychoaktiv. Der Substanz wird eine Vielzahl von positiven und negativen Eigenschaften zugeschrieben. Es besteht ein Konsens darüber, dass ein täglicher Koffeinkonsum von bis zu 400 mg für einen Erwachsenen kein Gesundheitsrisiko darstellt. In diesem Artikel untersuchen wir, ob Koffein als legales Hirndopingmittel eingesetzt werden kann. 

Wirkung von Koffein

Koffein kommt in Lebensmitteln und Getränken in Mengen vor, die Auswirkungen auf das zentrale Nervensystem (ZNS) haben. Es ist klar, dass es viele Bereiche im Leben gibt, in denen eine optimale kognitive Leistungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

Gibt es eine Dosis und einen Einnahmezeitpunkt, die sich besonders positiv auf die kognitiven Funktionen auswirken? Lassen sich die Effekte mit höherer Dosierung steigern oder treten dann unangenehme Nebenwirkungen in den Vordergrund? Diese Fragen müssen sorgfältig untersucht werden, da kognitive Anforderungen oft mit wichtigen Ereignissen verbunden sind, bei denen ein Scheitern große Nachteile hätte. Nach einer kurzen Erörterung der Wirkung von Koffein untersuchen wir seine Auswirkungen auf die wichtigsten Aspekte der kognitiven Funktion. Der Fokus liegt dabei auf denen, die mit der Studien- oder Arbeitsleistung in Verbindung stehen.

Koffein wird rasch vom Körper aufgenommen und erreicht innerhalb einer Stunde die höchste Konzentration im Blut, wobei es erhebliche individuelle Unterschiede gibt. Die Aufnahme ist langsamer, wenn es mit einer Mahlzeit eingenommen wird, aber schneller, wenn es in einem Kaugummi enthalten ist. Die Halbwertszeit im Blut beträgt normalerweise drei bis fünf Stunden. Rauchen, bestimmte Ernährungsgewohnheiten, Lebererkrankungen, Schwangerschaft oder die Antibabypille können die Halbwertszeit jedoch verändern.

Koffein hat eine ähnliche Struktur wie der körpereigene Neuromodulator Adenosin. Dieser wird freigesetzt, wenn die Nervenzellen Energie verbrauchen. Wird Adenosin gebunden, ist das ein Signal für die Zelle, etwas weniger zu arbeiten. So entsteht ein negativer Rückkopplungseffekt: Je aktiver die Nervenzellen sind, desto mehr Adenosin wird gebildet und Neuronen arbeiten langsamer. Koffein besetzt die gleichen Rezeptoren, aktiviert sie aber nicht. Adenosin kann dann nicht mehr andocken. Die Nerven erhalten kein Stoppsignal und arbeiten ungebremst weiter.

Einfluss von Koffein auf die kognitive Leistung

Seit Jahrhunderten ist Koffein ein beliebtes Mittel zur Verbesserung der mentalen oder kognitiven Funktionen. Einige Details in Bezug auf spezifische funktionelle Aspekte sind jedoch nach wie vor Gegenstand von Kontroversen. Zum Beispiel besteht ein allgemeiner Konsens darüber, dass Koffein „niedere“ kognitive Funktionen wie die Reaktionszeit verbessert, während die Auswirkungen auf „höhere“ kognitive Funktionen wie Problemlösung und Entscheidungsfindung umstritten sind. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass sich die wenigen diesbezüglichen Studien hinsichtlich der angewandten Methoden stark unterscheiden.

In Bezug auf grundlegende kognitive Funktionen besteht ein Konsens darüber, dass Koffein in Dosen von 32 bis 300 mg einige Aspekte der kognitiven Leistungsfähigkeit wie Aufmerksamkeit, Wachsamkeit und Reaktionszeit verbessert. Es gibt jedoch keine Belege dafür, dass niedrige und mäßige Koffeindosen die sensorischen Funktionen (z. B. Seh- oder Hörvermögen) signifikant verändern.

Wie viel ist optimal?

Die Wirkung von Koffein ist dosisabhängig. Niedrige Dosen können beispielsweise beruhigend wirken, während hohe Dosen Gefühle wie Nervosität und Unruhe verstärken. Die Wirkung von Koffein auf die Leistungsfähigkeit hängt auch davon ab, wie müde oder ausgeruht man zum Zeitpunkt der Einnahme ist. Offensichtlich besteht ein enger Zusammenhang zwischen Erregung und Leistung. Eine niedrige physiologische oder mentale Erregung geht normalerweise mit einer schlechten Leistung einher, während eine erhöhte Erregung mit einer verbesserten Leistung verbunden ist.

Dies gilt jedoch nur bis zu einem gewissen Grad. Wird das Erregungsniveau zu hoch, nimmt die Leistung wieder ab. Bei einer Person, die sehr müde ist, führt eine hohe Dosis Koffein wahrscheinlich zu einer Leistungssteigerung. Die gleiche Dosis kann jedoch bei einer gut ausgeruhten Person die Leistung eher verschlechtern, da in diesem Fall eine Übererregung eintritt. Unter normalen Alltagsbedingungen verwenden Menschen Koffein, um einen von ihnen selbst als optimal empfundenen Anregungszustand zu erreichen.

Individuelle Unterschiede

Es ist jedoch zu beachten, dass die genaue Wirkung von Koffein auf das Verhalten von der Schwierigkeit der untersuchten Aufgabe, individuellen Unterschieden in der Koffeinempfindlichkeit, Geschlechts- oder Gewichtsunterschieden, der Motivation oder dem emotionalen Zustand einer Person, ihrer Impulsivität und Kontaktfreudigkeit und/oder anderen Faktoren beeinflusst werden kann. Obwohl die dosisabhängige Wirkung von Koffein im Allgemeinen kurvenförmig ist, wobei die optimale Dosis nahe der Mitte der Erregungs-/Aktivierungskurve liegt, wäre es eine zu starke Vereinfachung anzunehmen, dass die Wirkung von Koffein bei allen Verhaltensweisen, emotionalen/motivationalen Zuständen, Persönlichkeitstypen und Individuen genau diesem Muster folgt.

Unter Berücksichtigung der oben genannten Einschränkungen wird allgemein davon ausgegangen, dass Koffein in Dosen von bis zu etwa 300 mg (für einen durchschnittlichen Erwachsenen von 75 kg) die Leistung bei minimalen Nebenwirkungen auf eine Vielzahl kognitiver Funktionen verbessert, indem es eine Verringerung der Wachsamkeit und Aufmerksamkeit verhindert. Wenn eine Person bereits müde ist, verbessert Koffein die Stimmung, die Reaktionszeit und die Wachsamkeit. Ausgeschlafene Personen, die lange, monotone Tätigkeiten ausüben, wie z. B. Wachdienst beim Militär oder lange Autofahrten, können mit 200 mg erhebliche Leistungsvorteile erzielen. Für Personen, die unter Schlafentzug leiden, sind Dosen von 200 bis 600 mg hilfreich.

Koffein und Reaktionszeit

Mehrere Studien haben positive Effekte von Koffein auf die Reaktionszeit bei einfacher und/oder visueller Wahrnehmung sowie auf die Wahlreaktionszeit gezeigt. Die Literatur ist sich einig, dass Koffein die Reaktion verbessert. Dies gilt sowohl für niedrige Dosen von 12,5 mg als auch für hohe Dosen von 400 mg. Es trifft sowohl auf ausgeruhte Personen als auch auf Personen mit Schlafmangel zu. In einigen wenigen Studien konnten diese positiven Ergebnisse nicht bestätigt werden. Diese Diskrepanzen scheinen eher auf Unterschiede in den Untersuchungsmethoden als auf unterschiedliche Wirkungen des Koffeins selbst zurückzuführen zu sein.

Koffein und Vigilanz

Die Wirkung von Koffein auf die Fähigkeit, die Leistung bei langwierigen, langweiligen oder ermüdenden Aufgaben aufrechtzuerhalten, ist eindeutig. Die Wirkung ist bei ausgeruhten Personen am deutlichsten, da Dosen im Bereich von 200 mg die Leistung für mehrere Stunden verbessern. Ähnliche Wirkungen (mit 200-300 mg) werden aber auch bei Personen beobachtet, die bis zu drei Tage lang ununterbrochen keinen Schlaf hatten. Bei Personen, die nicht unter Schlafentzug leiden, hat sich gezeigt, dass Koffein in Dosen von 32 bis 256 mg die Ergebnisse beim einstündigen Wilkinson-Test zur auditiven Vigilanz signifikant verbessert.

Koffein und Aufmerksamkeit

Aufmerksamkeit ist der Prozess der Fokussierung und Auswahl relevanter Informationen, während andere, weniger relevante Aspekte unterdrückt werden. Bei einer Wiederholungsaufgabe zum Erkennen von Zahlen verbesserte Koffein in Dosen von 40 mg bis etwa 280 mg sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit bei ausgeruhten Versuchspersonen. In einem Test, bei dem die Aufmerksamkeit auf eine Auswahl und die Reaktionszeit gerichtet war, verbesserte Koffein (∼100-150 mg) die Reaktionsgeschwindigkeit und Genauigkeit bei ausgeruhten Probanden.

In der Literatur gibt es eine Debatte über die Auswirkungen von Koffein auf einfache und komplexe Aufmerksamkeitsaufgaben. Es gibt Hinweise darauf, dass Koffein positive Auswirkungen auf beide Aufgaben hat. Bei einfachen Aufgaben sind Dosen im Bereich von 12,5 bis 400 mg am hilfreichsten, während bei komplexeren Aufgaben Dosen im Bereich von 60 bis 400 mg den größten Nutzen zeigen.

Kurzfristiger Einfluss auf das Gedächtnis

Untersuchungen über die Auswirkungen von Koffein auf das Kurzzeitgedächtnis haben uneinheitliche Ergebnissen hervorgebracht. Warburton et al. gaben 42 ausgeruhten Teilnehmern einen Energydrink mit 80 mg Koffein. Dies verbesserte zwar die Aufmerksamkeit und das verbale Denke, nicht aber das verbale oder nonverbale Gedächtnis. Terry und Phifer führten 1986 eine Studie an Studenten ohne Schlafentzug durch und fanden heraus, dass 100 mg Koffein tatsächlich zu einem schlechteren Abruf von Wörtern führte, insbesondere wenn diese in der Mitte oder am Ende der auswendig gelernten Liste standen. Diese Studie wurde jedoch nicht streng kontrolliert.

Die Auswirkungen auf andere Aspekte des Gedächtnisses sind ebenfalls unklar. Die Effekte auf das Abruf- und Wiedererkennungsgedächtnis sind variabel und hängen möglicherweise vom Erregungsniveau der Versuchsperson ab. Mahoney et al. fanden zum Beispiel bei nicht routinemäßigen Konsumenten bereits bei 100 mg eine Wirkung auf falsche Erinnerungen. Die Effekte erreichten bei 200 mg ihren Höhepunkt. Probanden mit den höchsten Erregungssteigerungen neigten auch dazu, die höchsten falschen Erinnerungs- und Wiedererkennungsraten zu produzieren. Das verbale Gedächtnis wurde jedoch nicht beeinträchtigt.

Studien über die Auswirkungen von Koffein auf die kognitive und motorische Gedächtniskodierung und den Abruf nach dem Training haben gemischte Ergebnisse erbracht. Hussain und Cole (2015) fanden heraus, dass 200 mg Koffein nach dem Training keine signifikante Auswirkung auf die Muster des Wiedererlernens am nächsten Tag, die mittleren Lernleistungen, die mittleren Lernraten oder die mittlere Leistungsretention bei einer speziellen Tracking-Aufgabe hatten. Dies steht im Gegensatz zu anderen Studien, insbesondere zu der von Borota et al. (2014). Diese konnten zeigen, dass 200 mg Koffein während der Gedächtniskodierungsphase des Tests die Fähigkeit der Probanden verbesserte, am nächsten Tag korrekt zwischen zuvor gelernten Elementen und ähnlichen „Lockelementen“ zu unterscheiden. Möglicherweise hängt die Wirkung auch von der gestellten Aufgabe ab. Weitere Studien sind zur Klärung dieser Fragen unerlässlich.

Langfristiger Einfluss auf das Gedächtnis

Es gibt einige wenige Untersuchungen zu den Auswirkungen eines langfristigen oder gewohnheitsmäßigen Koffeinkonsums. Diese deuten im Allgemeinen auf eine positive Wirkung hin. Epidemiologische Berichte lassen einen Zusammenhang zwischen Koffeinkonsum und einem geringeren Risiko für neurodegenerative Erkrankungen vermuten, auch wenn eine kürzlich durchgeführte Metaanalyse dies in Frage stellt.

In einer Studie von Jarvis (1993) an 9003 Erwachsenen wurde jedoch ein positiver Zusammenhang zwischen dem gewohnheitsmäßigen Koffeinkonsum und der Leistung bei Aufgaben des verbalen Gedächtnisses, des räumlichen Vorstellungsvermögens und der Reaktionszeit festgestellt. Diese Effekte wurden mit zunehmendem Alter stärker. Dies steht im Einklang mit einer von Hameleers et al. (2000) durchgeführten Studie mit 1875 Erwachsenen, in der festgestellt wurde, dass der gewohnheitsmäßige Koffeinkonsum mit einem besseren verbalen Langzeitgedächtnis, nicht aber mit einem besseren Kurzzeitgedächtnis verbunden war. Die Ergebnisse stimmen auch teilweise mit denen von Johnson-Kozlow et al. (2002) überein, die beobachteten, dass ältere Frauen, die während ihres Lebens große Mengen Koffein konsumierten, bei Gedächtnis- und anderen kognitiven Aufgaben besser abschnitten als Frauen, die kein Koffein konsumieren.

Vielleicht stehen die Gedächtniseffekte bei älteren Erwachsenen im Zusammenhang mit den antiepileptischen und neuroprotektiven Verbesserungen, die mit Koffeinkonsum zusammenhängen könnten. Alternativ könnten sie auch darauf zurückzuführen sein, dass gesündere ältere Menschen mehr Koffein konsumieren als ihre ungesunden Altersgenossen. Es gibt gute Belege dafür, dass gesundheitliche Bedenken zu einer Einschränkung des Koffeinkonsums führen. Interessanterweise konnten Harvanko et al. (2015) bei jungen Erwachsenen keinen positiven Zusammenhang zwischen routinemäßigem Koffeinkonsum und Reaktionszeit, Vigilanz, Reaktionshemmung oder Entscheidungsfindung feststellen, was darauf hindeutet, dass ein höherer durchschnittlicher Koffeinkonsum zwar den kognitiven Abbau bei älteren Erwachsenen abschwächen kann, ein ähnlicher Effekt bei jüngeren Probanden jedoch nicht vorhanden ist.

Exekutive Funktionen

Relativ wenige Studien haben die Auswirkungen des Koffeinkonsums auf die „exekutiven“ Fähigkeiten auf höherer Ebene untersucht, die die Funktionen auf niedrigerer Ebene „steuern“, wie z. B. logisches Denken und Entscheidungsfindung. Daher gibt es kaum gesicherte Erkenntnisse über die Auswirkungen von Koffein auf die Fähigkeit, kognitive Probleme zu lösen, automatische oder impulsive Reaktionen zu unterdrücken, strategische Handlungen zu planen und flexibel auf veränderte Umstände zu reagieren. Diese für das tägliche Leben wichtigen Fähigkeiten sind schwer zu beurteilen.

Zudem gibt es erhebliche methodische Unterschiede zwischen den wenigen Studien, die die Auswirkungen von Koffein auf die exekutiven Funktionen untersuchen. Die Verwendung unterschiedlicher Koffeindosen, die Untersuchung von Gewohnheits- und Gelegenheitskonsumenten, große Unterschiede im Grad des Schlafmangels oder der Schlafeinschränkung der Probanden und erhebliche Unterschiede in den Bewertungsaufgaben sind nur einige der Faktoren, die zu den widersprüchlichen Ergebnissen beitragen.

Urteilsvermögen und Risikobereitschaft

Es gibt nur wenige Studien über die Auswirkungen von Koffein auf die Einschätzung zukünftiger Konsequenzen gegenwärtiger Handlungen, die Aufrechterhaltung emotionaler Intelligenz und Kontrolle, die Abgabe genauer Selbsteinschätzungen oder das Treffen fundierter Urteile. Wie bei den exekutiven Fähigkeiten ist unklar, ob Koffein bei ausgeruhten Personen andere Effekte hat als bei Personen unter Schlafentzug, da Studien zur Risikobereitschaft und zu kognitiv-affektiven (emotionalen) Funktionen meist an Probanden unter Schlafentzug durchgeführt wurden.

Die in diesen Studien beobachtete Wirkung von Koffein könnte daher nur sekundär auf die wachmachenden Eigenschaften von Koffein zurückzuführen sein. Eine Studie zur Wirkung von Koffein bei ausgeschlafenen Gewohnheitskonsumenten ergab keine Verbesserung von Aufmerksamkeit, Konzentration, Verarbeitungs- und Reaktionsgeschwindigkeit. Es zeigten sich jedoch positive Effekte auf die von den Probanden selbst berichtete Energie, Aktivität und Leistungsfähigkeit. Die Autoren schlossen daraus, dass sich die Probanden durch Koffein „schlauer fühlten“, auch wenn es dafür keine objektiven Beweise gab. Insgesamt zeigen die Studien, dass Koffein wenig Einfluss auf komplexe Urteile und riskante Entscheidungen hat.

Zusammenfassung: Koffein und Kognition

Koffein erhöht die Wachsamkeit sowohl im ausgeruhten als auch im ermüdeten Zustand, wobei die Wirkung dosisabhängig ist. Mäßige Dosen (100-300 mg) sind im Allgemeinen vorteilhaft, während höhere Dosen (über 400 mg) bei Personen, die nicht unter Schlafstörungen leiden und keine gewohnheitsmäßigen Koffeinkonsumenten sind, eher Angstzustände hervorrufen und die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können.

Koffein entfaltet seine zuverlässigsten positiven Wirkungen bei Vigilanzaufgaben. Die positiven Effekte von Koffein treten sowohl bei ausgeruhten als auch bei schlafentzogenen Personen auf und sind wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass Koffein die Abnahme der Wachsamkeit, die mit einer längeren Aufrechterhaltung der Aufmerksamkeit verbunden ist, umkehrt. Koffein verbessert auch zuverlässig grundlegende kognitive Prozesse, die allen Arten von Leistung zugrunde liegen, wie Reaktionszeit und Aufmerksamkeit.

Die akuten Auswirkungen von Koffein auf das Gedächtnis sind weniger konsistent und scheinen unter anderem davon beeinflusst zu werden, ob die Aufgabe langweilig oder spannend ist. Die chronischen Auswirkungen des Koffeinkonsums auf das Gedächtnis könnten positiv sein, möglicherweise aufgrund neuroprotektiver Effekte. Die Beweislage ist jedoch nicht eindeutig und wird durch andere Studien in Frage gestellt. Die Auswirkungen von Koffein auf die exekutiven Funktionen höherer Ordnung sind unklar, da diese Funktionen besonders schwer zu beurteilen sind. Daher sind weitere Untersuchungen an ausgeruhten Personen und an Personen mit Schlafentzug erforderlich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Koffein in moderaten Dosen (ca. 32 bis 300 mg) die Wachsamkeit, die Lernfähigkeit und die Stimmung in vielen Situationen verbessert. Koffein kann besonders vorteilhaft sein, wenn leistungshemmende Faktoren vorliegen. Im Vergleich zu anderen „Hirndopingmitteln„, wie etwa Ritalin, ist Koffein eindeutig die bessere Wahl. Es ist legal, leicht erhältlich, hat weniger Nebenwirkungen, ist weniger süchtig machend und für die meisten Menschen unbedenklich.

 

Koffein und Gehirndoping: weiter Informationen

Tom McLellan, John Caldwell, Harris Lieberman: A review of caffeine’s effects on cognitive, physical and occupational performance. https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2016.09.001