半杯咖啡让大脑“时刻在线”？Frontiers：机器学习揭示微量补剂200ms启动感知阶段抗疲劳
研究背景
在快节奏的现代生活中，为了应对认知需求和精神疲劳，许多人习惯寻求咖啡或能量膳食补充剂的帮助。虽然我们主观上感觉到摄入咖啡因后“精力恢复了”，但这种感觉在大脑层面究竟是如何发生的？以往的研究多关注咖啡因对晚期认知过程（如决策、记忆更新）的影响，认为它通过调动更多资源来维持表现。然而，这种影响是否发生得比我们想象的更早？
为了探究这一问题，波兰西里西亚大学的Karina J. Maciejewska研究员进行了一项结合多变量模式分析（MVPA）与脑电图（EEG）的实验研究。这项研究不仅揭示了微量咖啡因（仅约55毫克，相当于半杯咖啡）对大脑活动的深层影响，更展示了机器学习如何作为一种“解释性解码”工具，发现传统分析方法遗漏的神经生理细节。
研究方法
研究招募了47名健康年轻成人参与一项双盲、安慰剂对照实验，经筛选后，最终纳入31人（参数集1）及24人（参数集2、3）进行不同参数的MVPA分析。被试被分为两组：一组服用含有少量咖啡因（55mg）及维生素的能量膳食补充剂（研究组），另一组服用外观口感一致的安慰剂（对照组）。
为了捕捉大脑在长时间任务中的动态变化，被试在服用补剂前（Run 1）、服用后30分钟（Run 2）以及服用后90分钟（Run 3）分别完成了一项视觉Oddball任务（一种经典的注意力测试）。研究者采用嵌入32个Ag/AgCl电极的Waveguard™弹性脑电帽（ANT Neuro），基于扩展10/20脑电导联系统记录了这一过程中的脑电信号（EEG），并利用多变量模式分析（MVPA）技术，试图训练一个分类器来区分不同时间段的脑电模式。简而言之，若分类器能有效区分补剂“摄入前”与“摄入后”的脑电模式，就说明大脑状态发生了显著改变。
图1 ERP预处理和分析流程
研究结果
行为学数据未发现显著组间差异，但传统ERP分析显示，随着实验时间的推移，安慰剂组为了抵抗精神疲劳，被迫动用了更多的注意资源，表现为P3波幅的显著增加；而摄入能量膳食补充剂的组别则没有这种变化，说明补剂抑制了疲劳带来的代偿性脑活动。
图2 安慰剂组（ABC）与实验组（DEF）在350-550 ms时间窗口内标准刺激与目标刺激诱发的总平均事件相关电位（ERP）地形图（run 1-3）
MVPA解码分析进一步揭示了这一过程的精细时程。结果显示，分类器在安慰剂组中的解码准确率显著高于研究组。换句话说，安慰剂组的大脑活动随时间发生了剧烈变化（变得“疲劳”了），导致机器很容易区分不同阶段；而摄入补剂后，大脑活动保持了相对稳定，使得机器难以区分。
图3 基于三种解码参数集的多变量模式分析（MVPA）事件相关电位（ERP）解码平均准确率
MVPA解码分析进一步细化了这一效应的时间动态——不仅验证了传统ERP发现的晚期效应，更揭示了未被捕捉的早期加工差异。而最关键的发现在于时间窗口：这种解码差异不仅出现在晚期的认知加工阶段（P3成分，约450-500 ms），更令人惊讶地出现在早期的感知处理阶段（P2成分，约200-260 ms）。统计结果表明，在200-250 ms和450-500 ms这两个时间段内，安慰剂组的解码准确率均显著高于研究组。这意味能量膳食补充剂的作用比传统观点认为的要早得多。
图4 安慰剂组与实验组在200-700 ms时间范围内按50 ms时间片平均的多变量模式分析解码准确率
结论和意义
这项研究利用解码技术，重构了能量膳食补充剂对抗精神疲劳的神经机制路径。首先是早期感知阶段（P2成分）：P2通常与早期的感觉输入分类和特征注意有关。安慰剂组在这一阶段表现出随时间变化的神经模式，暗示疲劳已经开始干扰大脑对视觉刺激的早期识别，迫使大脑调整策略。而能量膳食补充剂似乎在这一早期阶段就“锁定”了神经活动的稳定性，防止了疲劳对感知过滤过程的侵蚀。
其次是晚期认知阶段（P3成分）：P3反映了工作记忆更新和注意资源的分配。随着疲劳累积，未服用补剂的大脑必须募集更多资源（P3波幅增加）来维持任务表现。而补剂通过拮抗腺苷受体、增加多巴胺和去甲肾上腺素的释放，维持了神经系统的高效运作，使得大脑无需额外的代偿性努力即可完成任务。
这项研究具有双重意义。在方法学上，它证明了“用于解释的解码”（Decoding for Interpretation）比传统单变量分析更敏感，能捕捉到微弱但关键的早期神经变化（如P2阶段的效应）。在生理机制上，它揭示了即便是低剂量的能量膳食补充剂，也能通过“全程护航”——从早期的视觉特征提取到晚期的注意资源分配，全方位地阻断精神疲劳对大脑活动的重塑。
这不仅解释了为什么喝一点点含咖啡因饮料就能让我们感觉“清醒依旧”，也提示我们在进行神经生理学检查时，严格控制膳食补充剂摄入的必要性，因为它们对大脑基线活动的影响远比我们以为的要深远。
DOI：10.3389/fninf.2025.1563893
引用：Maciejewska, K. J. (2025). Decoding event-related potentials: single-dose energy dietary supplement acts on earlier brain processes than we thought. Frontiers in Neuroinformatics, 19:1563893.
