Abstract Evidence has shown that both sleep loss and daily caffeine intake can induce changes in grey matter (GM). Caffeine is frequently used to combat sleepiness and impaired performance caused by insufficient sleep. It is unclear 1) whether daily use of caffeine could prevent or exacerbate the GM alterations induced by chronic sleep restriction, and 2) whether the potential impact on GM plasticity depends on individual differences in the availability of adenosine receptors, which are involved in mediating effects of caffeine on sleep and waking function. In this double-blind, randomized, controlled study, 36 healthy adults (aged 28.9 ± 5.2 y/o; 15 females; habitual daily caffeine intake < 450 mg; 29 homozygous C/C allele carriers of the A2A adenosine receptor (A 2A R) gene variant rs5751876 of ADORA2A ) underwent a 9-day laboratory visit consisting of one adaption day, 2 baseline days (BL), 5-day sleep restriction (CSR, 5 h time-in-bed), and a recovery day (REC) after an 8-h sleep opportunity. Nineteen participants received 300 mg caffeine in coffee through the 5 days of CSR (CAFF group), while 17 matched participants received decaffeinated coffee (DECAF group). We measured the GM morphology on the 2 nd BL Day, 5 th CSR Day, and REC Day. Moreover, we used [ 18 F]-CPFPX PET to quantify the baseline availability of A 1 adenosine receptors (A 1 R) and their relation to GM plasticity. The voxel-wise multimodal whole-brain analysis on T1-weighted images controlled for variances of cerebral blood flow indicated a significant interaction between caffeine and CSR in four brain regions: 1) right temporal-occipital region, 2) right thalamus, 3) left dorsolateral, and 4) dorsomedial prefrontal region. The post-hoc analyses indicated increased GM intensity in the DECAF group in all four regions but decreased GM in the thalamus as well as dorsolateral and dorsomedial prefrontal regions in the CAFF group after sleep restriction. Furthermore, lower baseline subcortical A 1 R availability predicted larger reduction in the CAFF group after CSR of all brain regions except for the caffeine-associated thalamic reduction. In conclusion, our data suggest an adaptive upregulation in GM after 5-day CSR, while concomitant use of caffeine instead leads to a GM reduction. The lack of consistent association with individual A 1 R availability may suggest that CSR and caffeine affect GM plasticity predominantly by a different mechanism. Future studies on the role of adenosine A 2A receptors (ADORA2A) in CSR-induced GM plasticity are warranted.

Abstract The EEG alpha rhythm (8-13 Hz) is one of the most salient human brain activity rhythms. Spectral power in the alpha range in wakefulness and sleep varies among individuals based on genetical predisposition, yet knowledge about the underlying genes is scarce. The EEG alpha oscillations are related to cerebral energy metabolism and modulated by the level of attention and vigilance. The neuromodulator adenosine is directly linked to energy metabolism as product of adenosine tri-phosphate (ATP) breakdown and acts as a sleep promoting molecule by activitating A 1 and A 2A adenosine receptors. We quantified EEG oscillatory alpha power in wakefulness and sleep, as well as A 1 adenosine receptor availability by positron emission tomography with 18 F-CPFPX, in a large sample of healthy volunteers carrying different alleles of gene variant rs5751876 of ADORA2A encoding A 2A adenosine receptors. Oscillatory alpha power was higher in homozygous C-allele carriers (n = 27, 11 females) compared to heterozygous and homozygous carriers of the T-allele (n(C/T) = 23, n(T/T) = 5, 13 females) (F (18,37) = 2.35, p = 0.014, Wilk’s Λ = 0.467). Across considered brain regions an effect of ADORA2A genotype on A 1 adenosine receptor binding potential was found (F (18,40) = 2.62, p = 0.006, Wilk’s Λ = 0.459) and after correction for multiple testing this effect was shown to be significant for circumscribed occipital region of calcarine fissures. A correlation between individual differences in oscillatory alpha power and adenosine receptor availability was found for the subgroup of female participants only. In conclusion: a genetic variation in the adenosinergic system affects individual alpha power, although a direct modulatory effect via the A 1 AR has been demonstrated for females only.

Abstract Evidence has shown that both sleep loss and daily caffeine intake can induce changes in grey matter (GM). Caffeine is frequently used to combat sleepiness and impaired performance caused by insufficient sleep. It is unclear (1) whether daily use of caffeine could prevent or exacerbate the GM alterations induced by 5-day sleep restriction (i.e. chronic sleep restriction, CSR), and (2) whether the potential impact on GM plasticity depends on individual differences in the availability of adenosine receptors, which are involved in mediating effects of caffeine on sleep and waking function. Thirty-six healthy adults participated in this double-blind, randomized, controlled study (age = 28.9 ± 5.2 y/; F:M = 15:21; habitual level of caffeine intake < 450 mg; 29 homozygous C/C allele carriers of rs5751876 of ADORA2A, an A 2A adenosine receptor gene variant). Each participant underwent a 9-day laboratory visit consisting of one adaptation day, 2 baseline days (BL), 5-day sleep restriction (5 h time-in-bed), and a recovery day (REC) after an 8-h sleep opportunity. Nineteen participants received 300 mg caffeine in coffee through the 5 days of CSR (CAFF group), while 17 matched participants received decaffeinated coffee (DECAF group). We examined GM changes on the 2nd BL Day, 5th CSR Day, and REC Day using magnetic resonance imaging and voxel-based morphometry. Moreover, we used positron emission tomography with [ 18 F]-CPFPX to quantify the baseline availability of A 1 adenosine receptors (A 1 R) and its relation to the GM plasticity. The results from the voxel-wise multimodal whole-brain analysis on the Jacobian-modulated T1-weighted images controlled for variances of cerebral blood flow indicated a significant interaction effect between caffeine and CSR in four brain regions: (a) right temporal-occipital region, (b) right dorsomedial prefrontal cortex (DmPFC), (c) left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), and (d) right thalamus. The post-hoc analyses on the signal intensity of these GM clusters indicated that, compared to BL, GM on the CSR day was increased in the DECAF group in all clusters but decreased in the thalamus, DmPFC, and DLPFC in the CAFF group. Furthermore, lower baseline subcortical A 1 R availability predicted a larger GM reduction in the CAFF group after CSR of all brain regions except for the thalamus. In conclusion, our data suggest an adaptive GM upregulation after 5-day CSR, while concomitant use of caffeine instead leads to a GM reduction. The lack of consistent association with individual A 1 R availability may suggest that CSR and caffeine affect thalamic GM plasticity predominantly by a different mechanism. Future studies on the role of adenosine A 2A receptors in CSR-induced GM plasticity are warranted.