Koffein gegen den Schlafdruck: was es blockiert und was nicht

Zwei Prozesse — und warum das Nachmittagstief keine Müdigkeit ist

Die Standarderklärung der Schlafregulation hat zwei bewegliche Teile. Prozess S ist homöostatisch: ein Schlafdruck, der mit jeder Wachstunde stetig steigt und nur im Schlaf sinkt. Prozess C ist zirkadian: eine von der inneren Uhr getriebene Schwingung, die die Wachheit in einem etwa 24-stündigen Zyklus hebt und senkt — und die läuft, ob man letzte Nacht geschlafen hat oder nicht. Borbély legte das 1982 dar, und die 2016er Neubewertung mit Daan, Wirz-Justice und Deboer ist die heute zitierte Fassung. Die Schläfrigkeit in einem Moment ist der Abstand zwischen beiden, und deshalb erklärt das Modell Dinge, die eine Ein-Variablen-Beschreibung nicht erklären kann.

Am deutlichsten ist das Tief am frühen Nachmittag. Wäre Schläfrigkeit bloß die Zahl der Wachstunden, stiege sie den ganzen Tag monoton an und wäre kurz vor dem Zubettgehen am größten. So ist es nicht: Die meisten Menschen sind gegen drei Uhr nachmittags schläfriger als um acht Uhr abends, obwohl sie abends fünf Stunden länger wach sind. Das ist Prozess C, der einbricht und zum Abend wieder ansteigt — die sogenannte Wachhaltezone, die zwei Stunden vor der gewohnten Bettzeit, in denen die Uhr die Wachheit aktiv gegen einen großen und wachsenden Druck hochhält. Es erklärt auch den zweiten Wind sehr später Nächte: Prozess C beginnt in den frühen Morgenstunden wieder zu steigen, während Prozess S höher steht als je zuvor.

Koffein blockiert die Meldung, nicht den Druck

Adenosin sammelt sich im Wachzustand im Extrazellulärraum an, als Nebenprodukt des neuronalen Energiestoffwechsels, und fällt im Erholungsschlaf wieder ab. Es ist nicht der ganze Prozess S — niemand behauptet, ein einzelnes Molekül sei das —, aber es ist dessen am besten charakterisiertes molekulares Signal, und seine schlaffördernden Wirkungen laufen vor allem über zwei Rezeptorsubtypen, A1 und A2A. Koffein ist an beiden ein kompetitiver Antagonist. Reichert und Kollegen setzen in ihrer Übersicht im Journal of Sleep Research 2022 die Zeit von der oralen Aufnahme bis zur zentralnervösen Wirkung bei etwa dreißig Minuten an. Die Folge ist präzise: Die Rezeptoren sind besetzt, das Signal wird nicht übertragen, und man spürt den Druck nicht, unter dem man steht.

Die Unterscheidung zwischen dem Blockieren des Signals und dem Abbau des Drucks ist der Kern dieses Artikels, und das Elektroenzephalogramm liefert dafür einen direkten Beleg. Die langsamwellige Aktivität im Non-REM-Schlaf ist der physiologische Standardmarker von Prozess S — höher nach einem langen Tag und noch höher nach Schlafentzug. Landolt und Kollegen zeigten 2004 in Neuropsychopharmacology, dass Koffein diese EEG-Marker der Schlafhomöostase im Wachen wie im Schlaf abschwächt: Die Anzeige sinkt, während der zugrunde liegende Bedarf bleibt. Eine frühere Arbeit derselben Gruppe, 1995 in Brain Research, gab neun gesunden Männern um 7:10 Uhr morgens 200 mg und fand in der folgenden Nacht immer noch veränderten Schlaf und verringerte Leistung im untersten Deltaband — zu einem Zeitpunkt, an dem das Speichelkoffein auf 3 µmol/l gefallen war. Die Substanz war fast verschwunden, und die Nacht war trotzdem anders.

Warum der Einbruch kommt — und warum er keine Rückzahlung sein kann

Wenn Koffein die Rezeptoren besetzt, während sich Adenosin weiter ansammelt, dann erreicht das angesammelte Signal in dem Moment, in dem das Koffein abfällt, plötzlich freie Rezeptoren. Das ist die gängige mechanistische Erklärung des Einbruchs, und sie passt zum Erlebten: Der Abfall ist steiler als der natürliche Anstieg der Schläfrigkeit, weil es ein Sprung in der Signalübertragung ist und kein allmählicher Aufbau. Sie erklärt auch, warum eine zweite Dosis mitten im Einbruch wirkt — und warum der Einbruch danach schlimmer ist: Prozess S ist die ganze Zeit weitergestiegen.

Derselbe Mechanismus ist der Grund, warum Koffein keine Schlafschuld tilgen kann. Prozess S baut sich im Schlaf ab und nur im Schlaf; nichts in der Pharmakologie eines Adenosinantagonisten entfernt den angesammelten Druck, und die EEG-Befunde sagen, dass Koffein den Marker dämpft statt den Zustand aufzulösen. Koffein stellt Wachheit wieder her und verbessert messbar die Leistung bei vielen Aufgaben — das ist real und nützlich —, aber es tut das, während die Schuld weiterläuft. Die praktische Folge gehört in einen Satz zur Verkehrssicherheit und nicht in einen zur Physiologie: Wer ernsthaft übermüdet fährt und sich nach einem Kaffee gut fühlt, fährt mit abgeklemmter Warnleuchte. Wer am Steuer gegen den Schlaf kämpft, muss anhalten und nicht etwas trinken.

Was zur Schlafenszeit noch zirkuliert

Koffein wird nach einer Kinetik erster Ordnung abgebaut — ein konstanter Anteil pro Zeiteinheit, sodass die Restmenge die Dosis mal ein Halb hoch der Zahl verstrichener Halbwertszeiten ist. Der Halbwertszeit-Artikel dieser Rubrik trägt die Pharmakologie; die hier entscheidende Zahl ist, dass die mittlere Halbwertszeit bei gesunden Erwachsenen bei etwa fünf Stunden liegt und die publizierte Spanne von rund anderthalb bis neuneinhalb Stunden reicht, verlängert durch Schwangerschaft und orale Kontrazeptiva, verkürzt durch Rauchen. Diese Spanne ist kein Detail. Sie ist der Unterschied zwischen zwei Menschen, die denselben Kaffee zur selben Stunde trinken und in völlig verschiedenen Zuständen ins Bett gehen.

Die Tabelle oben rechnet das für eine Bettzeit um 23 Uhr durch. Zweihundert Milligramm — etwa zwei mittlere Tassen — um 16 Uhr genommen lassen zur Schlafenszeit 40 mg bei einem schnellen Metabolisierer übrig, 76 mg bei einem durchschnittlichen und 120 mg bei einem langsamen. Dreihundert Milligramm um 17 Uhr lassen bei mittlerer Halbwertszeit 131 mg zurück, also mehr als ein starker Espresso im Moment des Lichtausschaltens. Und Drakes Versuchsbedingung — 400 mg sechs Stunden vor dem Zubettgehen — lässt bei mittlerer Halbwertszeit 174 mg zirkulieren, bei einem langsamen Metabolisierer 258 mg. So gesehen überrascht der Befund von 41 Minuten weniger Schlaf nicht mehr.

Eine arithmetische Randbemerkung, die gleich wichtig wird. Weil der Zerfall erster Ordnung ist, verdoppelt eine doppelte Dosis nicht die Abbauzeit — sie fügt genau eine Halbwertszeit hinzu. Von 100 mg dauert es 5,0 Stunden, um unter 50 mg zu fallen; von 200 mg 10,0 Stunden; von 400 mg 15,0; von 800 mg 20,0. Jede Verdopplung kauft fünf Stunden, keine Verdopplung. Alkohol verhält sich umgekehrt, und der Artikel über das Nüchternwerden in dieser Rubrik rechnet durch, was das ändert.

Was eine späte Dosis wirklich kostet

Drake und Kollegen führten das Experiment 2013 im Journal of Clinical Sleep Medicine sauber durch. Zwölf gesunde Normalschläfer nahmen vier Tage lang täglich drei Tabletten — eine sechs Stunden vor dem Zubettgehen, eine drei Stunden vorher, eine zur Bettzeit —, von denen genau eine 400 mg Koffein enthielt und die beiden anderen Placebo waren. Der Schlaf wurde neben einem Tagebuch mit einem Heimmonitor aufgezeichnet. Die objektiv gemessene Gesamtschlafzeit sank um 67 Minuten, wenn das Koffein zur Bettzeit genommen wurde, um 65 Minuten bei drei Stunden vorher und um 41 Minuten bei sechs Stunden vorher, alle signifikant gegenüber Placebo.

Das Detail, das die Studie im Gedächtnis behält, ist, was die Tagebücher sagten. Zur Bettzeit und drei Stunden vorher erfassten sowohl Selbstauskunft als auch objektive Messung die Störung. Sechs Stunden vorher tat es nur die objektive Messung: Die Teilnehmenden verloren den größten Teil einer Stunde Schlaf und merkten es nicht. Das ist die ehrliche Form des Rats, der meist als „kein Koffein nach zwei Uhr nachmittags“ formuliert wird. Der Grund für die Regel ist nicht, dass das Getränk einen spürbar wach hält. Der Grund ist, dass es das nicht tut.

Toleranz — und was sie nicht wiederherstellt

Regelmäßiger Koffeinkonsum reguliert Adenosinrezeptoren hoch: Das Gehirn gleicht die chronische Blockade aus, indem es mehr davon bildet, sodass dieselbe Dosis einen kleineren Anteil besetzt und die subjektive Wirkung schrumpft. Das ist der Mechanismus hinter der vertrauten Erfahrung des Gewohnheitstrinkers, dem Kaffee „nichts mehr macht“, und hinter dem Kopfschmerz nach einer ausgelassenen Morgentasse — mit mehr Rezeptoren und ohne Antagonist ist das Signal kurzzeitig lauter als im Ausgangszustand.

Zwei Dinge zur Toleranz sollte man auseinanderhalten. Erstens: Toleranz gegenüber der subjektiven Wachwirkung und Toleranz gegenüber der schlafstörenden Wirkung sind nicht dasselbe und entwickeln sich nicht zwangsläufig gemeinsam — ein Gewohnheitstrinker mag einen späten Kaffee tatsächlich nicht spüren und trotzdem Schlaf verlieren, was Drakes Befund in anderer Form ist. Zweitens: Toleranz ändert die Größe der Wirkung, nicht ihre Richtung. Sie macht aus Koffein nichts, das Prozess S abbaut, denn nichts in dieser Substanzklasse tut das. Das Einzige, was Schlafdruck abbaut, ist Schlaf.

Häufige Fragen

Wie viele Stunden vor dem Schlafen sollte ich mit Kaffee aufhören?

Sechs Stunden ist die Zahl, die direkt aus der Drake-Studie kommt, die bei diesem Abstand mit 400 mg eine signifikante Störung fand. Die ehrliche Antwort hängt aber von deiner Dosis und deiner Halbwertszeit ab: 400 mg sechs Stunden vorher lassen bei mittlerer Halbwertszeit 174 mg zirkulieren, 80 mg drei Stunden vorher dagegen 53 mg. Ist deine Halbwertszeit lang — Schwangerschaft und orale Kontrazeptiva verlängern sie —, reichen sechs Stunden womöglich nicht; ist sie kurz, kann eine kleinere Dosis früher in diesem Fenster in Ordnung sein. Der verlässliche Test ist nicht, wie du dich beim Zubettgehen fühlst — die Teilnehmenden der Studie fühlten nämlich nichts.

Ich schlafe nach einem Abendkaffee gut ein. Heißt das, er wirkt bei mir nicht?

Nein, und das ist der Befund, der die meisten überrascht. In der Drake-Studie erzeugte die Sechs-Stunden-Bedingung einen Verlust von 41 Minuten objektiv gemessenem Schlaf, den die Tagebücher der Teilnehmenden überhaupt nicht registrierten. Schnelles Einschlafen ist nur ein Teil des Bildes; Gesamtschlafzeit, Wachzeit nach dem Einschlafen und Schlaftiefe bewegen sich ebenfalls. Die Einschlaflatenz ist zudem der Teil der Nacht, der am stärksten davon abhängt, wie müde man ohnehin war — genau das, was Koffein maskiert.

Kann Koffein eine schlechte Nacht ausgleichen?

Es kann Wachheit wiederherstellen und die Leistung bei vielen Aufgaben verbessern, was wirklich nützlich ist und den Gebrauch erklärt. Es kann den aufgebauten Schlafdruck nicht abbauen. Prozess S sinkt nur im Schlaf, und Koffein wirkt auf die Rezeptoren, die den Druck melden, nicht auf den Druck selbst — die EEG-Arbeiten zeigen einen gedämpften Marker bei fortbestehendem Zustand. Ein Kaffee kauft also Arbeitsstunden; er begleicht die Rechnung nicht, und die Schuld ist noch da, wenn das Koffein geht.

Warum bin ich um drei Uhr nachmittags müde und um neun Uhr abends hellwach?

Weil die beiden Prozesse in diesen Momenten in entgegengesetzte Richtungen ziehen. Der Schlafdruck steigt den ganzen Tag, ist um neun Uhr abends also höher als um drei Uhr nachmittags. Der zirkadiane Prozess sinkt aber am frühen Nachmittag und steigt dann in den beiden Stunden vor der gewohnten Bettzeit in eine Wachhaltezone, in der er die Wachheit aktiv oben hält. Das Nettogefühl ist der Abstand zwischen beiden und nicht der Druck allein — genau deshalb hat ein Modell mit einer Variablen nie funktioniert.

Bedeutet Toleranz, dass ein später Kaffee meinen Schlaf nicht mehr stört?

Sie verkleinert, was du spürst — nicht, was geschieht. Chronischer Konsum reguliert Adenosinrezeptoren hoch, sodass eine gegebene Dosis einen kleineren Anteil blockiert und der subjektive Schub verblasst. Toleranz gegenüber der Wachwirkung und Toleranz gegenüber der schlafstörenden Wirkung sind aber verschieden, und zur Bettzeit zählt die zweite. Wer gewohnheitsmäßig trinkt und einen Abendkaffee nicht mehr bemerkt, ist genau in der Lage der Drake-Teilnehmenden, die 41 Minuten Schlaf verloren und nichts berichteten.

Warum hält doppelter Kaffee mich nicht doppelt so lange wach?

Weil Koffein nach einer Kinetik erster Ordnung abgebaut wird: Pro Zeiteinheit verschwindet ein konstanter Anteil des Verbliebenen, keine konstante Menge. Jede Verdopplung der Dosis fügt der Zeit bis zu einem gegebenen Spiegel daher genau eine Halbwertszeit hinzu. Von 100 mg dauert es 5 Stunden, unter 50 mg zu fallen; von 200 mg 10 Stunden; von 400 mg 15; von 800 mg 20. Alkohol ist der umgekehrte Fall — er wird mit annähernd konstanter Masse pro Stunde abgebaut, doppelte Dosis heißt also doppelte Zeit —, und der Artikel über das Nüchternwerden in dieser Rubrik rechnet das durch.