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. 2021 Nov 3;19:eAO6417. doi: 10.31744/einstein_journal/2021AO6417
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Characterization of electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic recordings after the use of caffeine in Wistar rats

Diego Arthur Castro Cabral 1,, Fernanda Myllena Sousa Campos 1, Maria Clara Pinheiro da Silva 1, João Paulo do Vale Medeiros 1, Paula dos Santos Batista 1, Giovanna Coutinho Jardim 1, Jéssica Lígia Picanço Machado 1, Leonardo Giovanni Castro Cabral 1, Vanessa Joia de Mello 1, Moises Hamoy 1
PMCID: PMC8577317  PMID: 34787292

ABSTRACT

Objective:

To describe electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic profiles to report the electrophysiological effects of caffeine in Wistar rats.

Methods:

Male adult Wistar rats weighing 230g to 250g were used. Rats were allocated to one of two groups, as follows: Group 1, Control, intraperitoneal injection of 0.9% saline solution (n=27); and Group 2, treated with intraperitoneal injection of caffeine (50mg/kg; n=27). The rats were submitted to electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic assessment.

Results:

Brain oscillations (delta, theta, alpha, beta and gamma) in the frequency range up to 40Hz varied after caffeine administration to rats. Powers in delta and theta oscillations ranges were preponderant. The contractile force of the skeletal striated and cardiac muscles increased. Electrocardiogram analysis revealed shorter RR, QRS and QT intervals under the effect of caffeine.

Conclusion:

In the central nervous system, there was an increase in the delta, theta and alpha amplitude spectrum, which are related to memory encoding and enhanced learning. With regard to skeletal muscle, increased contraction of the gastrocnemius muscle was demonstrated, a clear indication of how caffeine can be used to enhance performance of some physical activities. Electrocardiographic changes observed after caffeine administration are primarily related to increased heart rate and energy consumption.

Keywords: Caffeine, Electrocorticography, Electromyography, Electrocardiography, Central nervous system, Rats, Wistar

INTRODUCTION

Caffeine is a central nervous system (CNS) stimulant of the methylxanthine class, and the most widely used psychoactive drug worldwide. Motivations behind caffeine use are increased concentration, cognition and physical performance.( 1 ) Caffeine can be used to treat idiopathic apnea of prematurity( 2 ) and acute respiratory depression,( 3 ) and for pain management.( 4 ) Epidemiological data suggest that habitual coffee consumption is protective against Parkinson's and Alzheimer's diseases and promotes weight loss.( 4 , 5 )

Caffeine acts primarily as a non-selective adenosine receptor antagonist. Caffeine increases motor activity and has arousal and reinforcing effects.( 6 ) Paraxanthine is the main metabolite of caffeine in humans and is associated with a significant release of dopamine in areas of the striatum.( 7 )

The stimulating effect of caffeine has been widely described in literature, primarily in behavioral and biochemical studies.( 1 , 6 , 8 ) However, quantitative studies describing the impact of electrophysiological changes on various systems following caffeine administration are scarce.

OBJECTIVE

To describe the electrophysiological changes induced by caffeine in male Wistar rats, based on electrocorticographic, electromyographic and electrocardiographic recordings.

METHODS

Animals

The animals were obtained from the Central Animal Facility of Universidade Federal do Pará (UFPA), and individually housed in the Experimentation Vivarium of the Laboratory of Pharmacology and Toxicology of Natural Products, from April 2019 to November 2020. Animals had access to water and food ad libitum , and were kept in a temperature-controlled environment (25°C to 28°C), under a 12/12 hour light-dark cycle. Experimental procedures were conducted in compliance with the principles of laboratory animal care and approved by the Ethics Committee on Experiments in Animals (CEUA No. 2675110219).

A total of 54 adult male Wistar rats, weighing 230g to 250g, were used. Rats were allocated to one of two groups, as follows: Group 1 (n=27), Control, treated with equivalent volume of 0.9% saline solution in an intraperitoneal (IP) injection; Group 2 (n=27), Caffeine with Treated (50mg/kg IP), as per Marriott, 1968.( 9 ) Rats were submitted to electrocorticographic (ECoG), electromyographic (EMG) and electrocardiographic (ECG) assessment. Surgically implanted electrodes were used to record ECoG, ECG and EMG signals. Data were collected in separate groups, within 5th days of surgery. Measurements were made on the same day, using a block design, as follows: ECoG data were collected first, then ECG, and finally EMG data. Rats were not anesthetized prior to recordings. Rats were placed in acrylic boxes measuring 60x50x20cm (length, width and height, respectively).

Chemicals

The following chemicals were used: ketamine hydrochloride (Laboratório Köing, Santana de Parnaíba, SP, Brazil), xylazine hydrochloride (Laboratório Vallée, Montes Claros, MG, Brazil), lidocaine (Laboratório Hipolabor, Sabará, MG, Brazil) and caffeine powder (Sigma), in the form of crystals diluted and 0.9% saline solution.

Electrode implantation surgery

Surgical procedures were performed under general anesthesia obtained with 5mg/kg of xylazine and 50mg/kg of ketamine. The site of electrode implantation was anesthetized with lidocaine. Anesthetized rats were placed in a stereotactic device. After proper positioning, the implantation site was clipped, and an incision made through the skin, subcutaneous tissue and muscle planes to access the skull. Two small craniotomies were then created, −0.96 and 1mm lateral to the midline bony landmark (bregma), to access each cerebral hemisphere containing the motor cortex, where electrodes were implanted into the brain surface.( 10 ) A screw was inserted at the craniotomy site for electrode attachment using dental acrylic resin.

Electrocorticogram

Animal preparation and electrode implantation procedures for ECoG acquisition were based on previous publications.( 11 ) Electrodes were placed −0.96mm and 1mm lateral to the stereotaxic coordinate taken from bregma, in each hemisphere comprising the motor cortex.( 10 ) Recording and reference electrodes were located on the right and left hemisphere, respectively. On postoperative 5th day electrodes were connected to a data acquisition system consisting of a high impedance amplifier (P511, Grass Technologies), monitored using an oscilloscope (Protek, 6510).( 12 ) Caffeine was injected IP, 15 minutes prior to ECoG recordings. Electrocorticographic data were continuously digitized at a rate of 1kHz, using a computer equipped with data acquisition board (National Instruments, Austin, TX, United States). Data were stored on a hard disk and processed using dedicated software (LabVIEWexpress). The entire experiment was carried out in a Faraday cage.

Electromyogram

Following ECoG data acquisition, conjugate electrodes were implanted 0.5cm above the insertion of the gastrocnemius muscle, as described in previous studies.( 13 ) Intraperitoneal caffeine administration was performed 15 minutes prior to electromyographic recordings. Animals were kept in an acrylic box throughout the 10-minute recording procedure. Recordings were made with electrodes connected to a Grass P511 amplifier, monitored using an oscilloscope.( 13 )

Electrocardiogram

Electrode insertion was guided by the vector plotted from lead D2. The reference electrode was placed in the region of the fourth intercostal muscle near the right axilla and the recording electrode in the 11th intercostal space, 1.5cm to the left of the mid-sagittal line.( 14 ) Following intraperitoneal administration of 50mg/kg of caffeine and a 15-minute latency period, ECG data were recorded for 10 minutes per animal. The following variables were analyzed: amplitude (mV), heart rate (bpm), RR interval, PQ interval, QT interval and QRS duration.

Electrophysiological data analysis

Amplitude graphs show potential differences between reference and recording electrodes at a sampling rate of one thousand samples per second. Spectrograms were calculated using a Hamming window with 256 points (256/1000 seconds); each frame was generated with an overlap of 128 points per window. For each frame, the spectral power distribution (SPD) was calculated using the Welch average periodogram method. A frequency histogram was generated from the first signal SPD calculation using a Hamming window with 256 points and no SPD overlap; this resulted in a histogram constructed with 1Hz boxes. Signals recorded up to 50Hz were analyzed. Frequency ranges were analyzed as follows: delta (1Hz to 4Hz), theta (4Hz to 8Hz), alpha (8Hz to 12Hz), beta (12Hz to 28Hz) and gamma (28Hz to 40Hz).( 15 )

Statistical analysis

Data normality and homogeneity of variance were verified using the Kolmogorov-Smirnov and Levene's test respectively. Data were expressed as means and standard deviations; F and p values were provided when applicable. The level of significance was set at p<0.05. Groups were compared using two-way analysis of variance (ANOVA) followed by the Tukey's test for multiple comparisons. The Student's t -test was used to compare ECoG, EMG and ECG data (power recorded in different frequency bands) between the Control and the Caffeine with Treated Group. Analysis of variance was used exclusively to analyze the preponderance of frequency spectra within groups. Statistical analyses for outlier detection and removal were conducted using GraphPad Prism, version 8 (Graph-Pad Software Inc., San Diego, CA, United States).( 12 )

RESULTS

Caffeine altered the power spectrum of brain waves

Significant changes in ECoG tracings were observed following caffeine administration relative to baseline ( Table 1 ). Control Group recordings figure 1A revealed greater amplitude and power intensity in the spectrogram at frequencies lower than 10Hz. Caffeine with Treated Group ECoG tracings figure 1B shows greater power distribution above 10Hz.

Table 1. Numerical values obtained from electrocorticographic records performed during the experiments.

Group Delta (1Hz-4Hz) Theta (4Hz-8Hz) Alpha (8Hz-12Hz) Beta (12Hz-28Hz) Gamma (28Hz-30Hz)
Control, mV2/Hzx10-3 0.003883±0.0009877 0.01440±0.002569 0.01176±0.001643 0.007670±0.001497 0.003218±0.002155
Caffeine with Treated, mV2/Hzx10-3 0.01227±0.001844 * 0.03031±0.006081 * 0.02189±0.003489 0.01979±0.003748 0.01173±0.001083
*

Means p<0.001 and

<0.05 relative to the Control Group.

All delta, theta, alpha, beta and gamma wave values obtained in the Control and the Caffeine with Treated Group are shown.

Figure 1. Recording of electrocorticograms in the Control Group and the Caffeine-Treated Group. A) Electrocorticogram of the Control Group, with expansion of the tracing that reveals power intensity at frequencies below 10Hz; B) Electrocorticographic recording obtained after intraperitoneal administration of 50mg/kg of caffeine where there is a predominance of frequencies above 10Hz; C) Spectral energy distribution after intraperitoneal administration of caffeine (50mg/kg) or saline solution (control) and their respective cerebral oscillations. Data were analyzed by comparing means, using the t test followed by the Mann-Whitney test, with a significance level of p<0.001 (n=9).

Figure 1

Brain wave distribution was shown in tracings recorded at baseline and under the effect of caffeine ( Figure 1C ). An increase in the power of low frequency waves was seen, especially those up to 40Hz (p<0.001). Overall, the greatest amplitude of the signal power spectrum fell in the 1Hz to 8Hz range ( i.e ., delta and theta wave ranges (p<0.001).

The power spectrum of the Control Group revealed the following relationship: theta > alpha > beta > delta = gamma (p<0.05) ( Figure 2A ). In the Caffeine with Treated Group, the prevailing oscillation profile was theta > alpha = beta > delta = gamma (p<0.05) ( Figure 2B ).

Figure 2. Average power range of delta, theta, alpha, beta and gamma brain oscillations in the Control and Caffeine-Treated Groups (50mg/kg). A) Powers of the predominant brain waves in the Control Group; B) Predominant potencies in brain oscillations in animals that received intraperitoneal caffeine; C) Comparison of the oscillations detected in each group (n=9).

Figure 2

Mean delta oscillation differed significantly prior to and after caffeine administration (0.003883±0.0009877mV2/Hzx10-3 and 0.01227±0.001844mV2/Hzx10-3, respectively; p<0.0001), with higher values detected in Caffeine with Treated Group, Mean oscillations in the theta (0.01440±0.002569mV2/Hzx10-3) and alpha (0.01176±0.001643mV2/ Hzx10-3) ranges in the Control Group differed significantly (p<0.001) from those recorded in the Caffeine with Treated Group (theta, 0.03031±0.006081mV2/Hzx10-3; alpha, 0.02189±0.003489mV2/Hzx10-3). Mean oscillations in the beta range differed significantly between the Control and the Caffeine with Treated Group (0.007670±0.001497mV2/Hzx10-3 and 0.01979±0.003748mV2/Hzx10-3 respectively; p<0.001). Mean oscillation in the gamma range corresponded to 0.003218±0.002155mV2/Hzx10-3 and 0.01173±0.001083mV2/Hzx10-3 in the Control Group and the Caffeine with Treated Group, respectively (p<0.001).

Caffeine increased the amplitude of striated muscle contraction

Electromyographic recordings in figure 3A and table 2 show muscle contraction patterns at low amplitude (up to 1mV), with an energy distribution spectrogram up to 50Hz. Within 15 minutes of intraperiotoneal administration of 50mg/kg of caffeine, contractions became more frequent, with amplitude larger than 2mV and higher energy concentration figure 3B .

Figure 3. Electroneuromyographic recording of gastrocnemius muscle contraction. The registration time was 300 seconds. A) Registration of animals in the Control Group; B) Registration after caffeine administration; C) The power observed in the complete recording at frequencies up to 50Hz demonstrates the power of muscle contractions measured in control and caffeine-treated animals; D) Power of the strongest contractions recorded in the Control and Treated Caffeine Groups, at a fixed time of 5 seconds of contraction (n=9).

Figure 3

Table 2. Numerical representation of the values obtained during the electromyographic study.

Group Control (mV2/Hzx10-3) Caffeine (mV2/Hzx10-3)
Full EMG record 6.676±2.702 28.22±6.736
Strongest contraction recorded (EMG) 12.94±4.470 * 78.56±26.46
*

Means p<0.05 and;

<0.01 relative to the Control Group.

EMG: electromyographic.

All values recorded in the Caffeine with Treated and Control Groups are shown. Values recorded throughout electromyographic study and values recorded during maximal gastrocnemius muscle contraction are also reported.

Amplitude differences between recordings up to 50Hz shown in figure 3 indicate significant differences between the Control and the Caffeine with Treated Group (mean power 6.676±2.702mV2/Hzx10-3 and 28.22±6.736mV2/Hzx10-3 respectively; p<0.001) ( Figure 3C ). Analysis of the strongest contractions recorded in the Control and the Caffeine with Treated Group also revealed significant differences (12.94±4.470mV2/Hzx10-3 and 78.56±26.46mV2/Hzx10-3; p<0.001) ( Figure 3D ).

Caffeine affected electrocardiographic parameters

Electrocardiographic changes observed after caffeine administration were primarily related heart rate increase, as shown in figures 4A, B, C and D . Caffeine administration led to a significant increase in heart rate (249.2±21.26bpm and 303.7±7.194bpm, Control and Caffeine with Treated Group, respectively; p=0.0004) ( Figure 4E and Table 3 ).

Figure 4. Animals' electrocardiogram and enlargement of the electrocardiographic tracing. A) Control group tracing in lead D-II; B) Electrocardiogram of the Caffeine-treated Group in lead D-II; C) Expansion of the interval from 40 to 50 seconds for the Control Group; D) The interval between 40 and 50 seconds of the electrocardiogram of animals treated with caffeine is extended; E) Electrocardiogram tracing of rats in sinus rhythm in lead D-II, showing the analyzed intervals, 1 second of increase; F) Electrocardiographic tracing of the Group Treated with Caffeine, demonstrating the characteristics of cardiac deflagration and shortening of the R-R interval, 1 second of increase.

Figure 4

Table 3. Numerical presentation of the values obtained during the execution of the electrocardiographic study.

Parameter Heart rate (bpm) Amplitude (mV) RR Intervals (seconds) QRS duration (seconds) QT intervals (seconds) PQ intervals (seconds)
Control 249.2±21.26 0.4746±0.04072 0.3453±0.01276 0.01011±0.001364 0.0570±0.004062 0.07056±0.003779
Caffeine with Treated 303.7±7.194 * 0.5250±0.01949 0.2400±0.03651 * 0.0082±0.0007953 0.03153±0.004996 * 0.08306±0.007435 *
*

p<0.001 relative to the Control Group and

p<0.01 relative to the Control Group.

Parameters extracted from electrocardiographic records in the Control and Caffeine with Treated Group (Student's t test and Mann-Whitney test).

The mean amplitude also increased significantly after caffeine administration (0.4746±0.04072mV and 0.5250±0.01949mV, Control and Caffeine with Treated Group respectively; p=0.0061). The increase in heart rate revealed shortening of the RR interval in the ECG ( Figures 4E and F ); means differed significantly between the Control and the Caffeine with Treated Groups (0.3453±0.01276 seconds and 0.2400±0.03651 seconds, respectively; p=0.0004). The mean duration of the QRS complex was also characterized by a decrease in execution time and differed significantly between the Control and the Caffeine with Treated Groups (0.01011±0.001364 seconds and 0.0082±0.0007953 seconds, respectively; p=0.0062). The cardiac cycle represented by the QT interval, which involves the period of ventricular depolarization and repolarization, also differed significantly (0.0570±0.004062 seconds and 0.03153±0.004996 seconds, Control and Caffeine with Treated Group respectively; p=0.0004). As to the PQ interval, mean was 0.07056±0.003779 seconds in the Control Group and 0.08306±0.007435 seconds the Caffeine with Treated Group ( Table 3 ).

DISCUSSION

In this study, ECoG, EMG and ECG recordings were used to describe electrophysiological changes in rats following caffeine administration. The average power was 50% higher in the amplitude of the delta brain oscillations in the Group Treated with Caffeine relative to the Control Group. Delta waves are thought to help encode memories and enhance learning.( 16 ) Positive acute effects on attention have also been demonstrated in most studies investigating the effects of caffeine on cognition.( 17 ) This finding may also be related to the delta stage, since delta activity “modulates” mental performance via inhibition of stimuli unrelated to the task at hand, thereby increasing the individual level of attention during execution of tasks that demand careful internal brain processing.( 18 )

The theta rhythm is implicated in several activities, such as establishment of word pattern for speech recognition and microsaccadic eye movement synchronization, which are often observed in the context of attentive and exploratory behavior and in implicit learning, a largely unconscious non-hippocampus-dependent learning category.( 1921 )

Alpha waves are related to cognitive processing and self-regulation and are increased in situations associated with attention gains.( 22 , 23 ) Beta oscillations are a strong predictor of perceptual and motor performance.( 24 ) These oscillations are associated with states of alertness, focus and active thinking.( 25 ) In the upper cortex, gamma waves are enhanced during working memory and learning. Such oscillation plays a role in neural communication, reflecting the transfer of information from the external world to the brain.( 26 )

Increased amplitude of all brain waves in this study ( Figure 1C ) suggests caffeine or any of its metabolites may have direct or indirect impacts on pathways involved in the generation of such rhythms, which may enhance cognitive functions associated with brain oscillations. This finding supports the fact that caffeine acts as a CNS stimulant.( 6 )

In this study, intraperitoneal administration of caffeine increased the frequency of gastrocnemius muscle contraction, with higher amplitude (2mV) and energy concentration ( Figure 3B ) relative to the Control Group (1mV amplitude) ( Figure 3A ). Mismatches in muscle contraction force between the Control and the Caffeine with Treated Group are shown in figure 3 . Statistical differences (p<0.05) between the two portions analyzed can be seen, particularly in the graph depicting the strongest muscle contractions. Hence, caffeine affects skeletal muscle function, leading to an increase in mechanical performance by enhancing the ability of muscles to produce strength, work and energy.( 27 ) Therefore, improvements in motor skills can be attributed to caffeine, as advocated by other researchers.( 28 )

Caffeine increases myocardial activity, reducing the time of contraction and increasing the heart rate. It also has positive inotropic effects, given it increases contractile force.( 29 ) In this study, an increase in heart rate (bpm) ( Figure 4C ) and cardiac contraction force ( Figure 4D ) was observed in rats treated with caffeine. Combined, these effects translate into greater caloric expenditure, which indicates caffeine is in fact a thermogenic agent which enhances ergogenic effects.( 30 ) It has also been widely reported that moderate caffeine consumption (400mg to 600mg/day) is not associated with increased risk cardiovascular disease development. On the contrary, it seems to have a protective effect on the cardiovascular system. However, individuals predisposed to or suffering from cardiovascular diseases appear to be more sensitive to the effects of caffeine.( 31 )

CONCLUSION

This study demonstrated the major electrophysiological changes observed in the central nervous system, myocardium and skeletal muscle after intraperitoneal injection of caffeine. Electrophysiological changes described in this study support acute positive effects on individual levels of attention, as observed following consumption of caffeinated drinks in order to maintain alertness. At the level of the central nervous system, there was an increase in delta, theta and alpha amplitude spectra, which are associated with memory encoding and enhanced learning. With regard to effects on skeletal muscles, increased contraction of the gastrocnemius muscle was demonstrated, a clear indication of how caffeine can be used to enhance performance in some physical activities. Electrocardiographic changes observed after caffeine administration are primarily related to increased heart rate and higher energy expenditure. Descriptions of quantitative changes in measurements in this electrophysiological spectrum are of interest to further studies aimed at determining the optimal daily caffeine dose and further describing positive, negative and toxic effects associated with the use of this stimulant.

REFERENCES

  • 1.Cappelletti S, Piacentino D, Sani G, Aromatario M. Caffeine: cognitive and physical performance enhancer or psychoactive drug? Curr Neuropharmacol. 2015;13(1):71-88. Review. Erratum in: Curr Neuropharmacol. 2015;13(4):554. Daria, Piacentino [corrected to Piacentino, Daria]. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 2.Abdel-Hady H, Nasef N, Shabaan AE, Nour I. Caffeine therapy in preterm infants. World J Clin Pediatr. 2015;4(4):81-93. Review. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 3.Daly JW. Caffeine analogs: biomedical impact. Cell Mol Life Sci. 2007; 64(16):2153-69. Review. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 4.Munoz DG, Fujioka S. Caffeine and Parkinson disease: a possible diagnostic and pathogenic breakthrough. Neurology. 2018;90(5):205-6. [DOI] [PubMed]
  • 5.Tabrizi R, Saneei P, Lankarani KB, Akbari M, Kolahdooz F, Esmaillzadeh A, et al. The effects of caffeine intake on weight loss: a systematic review and dose-response meta-analysis of randomized controlled trials. Crit Rev Food Sci Nutr. 2019;59(16):2688-96. Review. [DOI] [PubMed]
  • 6.Ferré S. Mechanisms of the psychostimulant effects of caffeine: implications for substance use disorders. Psychopharmacology (Berl). 2016;233(10):1963-79. Review. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 7.Ferré S, Orrú M, Guitart X. Paraxanthine: connecting caffeine to nitric oxide neurotransmission. J Caffeine Res. 2013;3(2):72-8. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 8.Alasmari F. Caffeine induces neurobehavioral effects through modulating neurotransmitters. Saudi Pharm J. 2020;28(4):445-51. Review. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 9.Marriott AS. The effects of amphetamine, caffeine and methylphenidate on the locomotor activity of rats in an unfamiliar environment. Int J Neuropharmacol. 1968;7(6):487-91. [DOI] [PubMed]
  • 10.Paxinos G, Franklin KB. Paxinos and Franklin's the mouse brain in stereotaxic coordinates. 5th ed. Academic Press; 2019.
  • 11.Hamoy M, Dos Santos Batista L, de Mello VJ, Gomes-Leal W, Farias RA, Dos Santos Batista P, et al. Cunaniol-elicited seizures: behavior characterization and electroencephalographic analyses. Toxicol Appl Pharmacol. 2018;360:193-200. [DOI] [PubMed]
  • 12.Estumano DP, Ferreira LO, Bezerra PA, da Silva MC, Jardim GC, Santos GF, et al. Alteration of testosterone levels changes brain wave activity patterns and induces aggressive behavior in rats. Front Endocrinol (Lausanne). 2019;10:654. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 13.Santos GF, Ferreira LO, Gerrits Mattos B, Fidelis EJ, de Souza AS, Batista PS, et al. Electrocorticographic description of the effects of anticonvulsant drugs used to treat lidocaine-induced seizures. Brain Behav. 2021;11(2):e01940. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 14.Farraj AK, Hazari MS, Cascio WE. The utility of the small rodent electrocardiogram in toxicology. Toxicol Sci. 2011;121(1):11-30. Review. Erratum in: Toxicol Sci. 2012;126(1):289. [DOI] [PubMed]
  • 15.Souza-Monteiro JR, Arrifano GP, Queiroz AI, Mello BS, Custódio CS, Macêdo DS, et al. Antidepressant and antiaging effects of Açaí (Euterpe oleracea Mart.) in Mice. Oxid Med Cell Longev. 2019;2019:3614960. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 16.Jansen JM, Lopes AJ, Jansen U, Capone D, Maeda TY, Noronha A, organizadores, et al. Medicina da noite: da cronobiologia à prática clínica. Rio de Janeiro: Editora FIOCRUZ; 2007. p.103-20. Capítulo 7.
  • 17.Szczepanik JC, de Oliveira PA, de Oliveira J, Mack JM, Engel DF, Rial D, et al. Caffeine mitigates the locomotor hyperactivity in middle-aged low-density lipoprotein receptor (LDLr)-knockout mice. CNS Neurosci Ther. 2016;22(5):420-2. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 18.Harmony T, Fernández T, Silva J, Bernal J, Díaz-Comas L, Reyes A, et al. EEG delta activity: an indicator of attention to internal processing during performance of mental tasks. Int J Psychophysiol. 1996;24(1-2):161-71. [DOI] [PubMed]
  • 19.Hyafil A, Fontolan L, Kabdebon C, Gutkin B, Giraud AL. Speech encoding by coupled cortical theta and gamma oscillations. Elife. 2015;4:e06213. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 20.Kienitz R, Schmiedt JT, Shapcott KA, Kouroupaki K, Saunders RC, Schmid MC. Theta rhythmic neuronal activity and reaction times arising from cortical receptive field interactions during distributed attention. Curr Biol. 2018; 28(15):2377-87.e5. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 21.Loonis RF, Brincat SL, Antzoulatos EG, Miller EK. A meta-analysis suggests different neural correlates for implicit and explicit learning. Neuron. 2017;96(2):521-34.e7. Review. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 22.Bazanova O. Comments for current interpretation EEG alpha activity: a review and analysis. J Behav Brain Sci. 2012;2(2):239-48.
  • 23.Kim SC, Lee MH, Jang C, Kwon JW, Park JW. The effect of alpha rhythm sleep on EEG activity and individuals' attention. J Phys Ther Sci. 2013;25(12):1515-8. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 24.Sherman MA, Lee S, Law R, Haegens S, Thorn CA, Hämäläinen MS, et al. Neural mechanisms of transient neocortical beta rhythms: converging evidence from humans, computational modeling, monkeys, and mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016;113(33):E4885-94. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 25.Kim JH, Chung EJ, Lee BH. A study of analysis of the brain wave with respected to action observation and motor imagery: a pilot randomized controlled trial. J Phys Ther Sci. 2013;25(7):779-82. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 26.Jia X, Kohn A. Gamma rhythms in the brain. PLoS Biol. 2011;9(4):e1001045. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 27.Tallis J, Duncan MJ, James RS. What can isolated skeletal muscle experiments tell us about the effects of caffeine on exercise performance? Br J Pharmacol. 2015;172(15):3703-13. Review. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 28.Sousa AM, Suzuki FA. Effect of caffeine on cervical vestibular-evoked myogenic potential in healthy individuals. Braz J Otorhinolaryngol. 2014; 80(3):226-30. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 29.Chaban R, Kornberger A, Branski N, Buschmann K, Stumpf N, Beiras-Fernandez A, et al. In-vitro examination of the positive inotropic effect of caffeine and taurine, the two most frequent active ingredients of energy drinks. BMC Cardiovasc Disord. 2017;17(1):220. Erratum in: BMC Cardiovasc Disord. 2019;19(1):33. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 30.Murayama T, Ogawa H, Kurebayashi N, Ohno S, Horie M, Sakurai T. A tryptophan residue in the caffeine-binding site of the ryanodine receptor regulates Ca2+ sensitivity. Commun Biol. 2018;1:98. [DOI] [PMC free article] [PubMed]
  • 31.Turnbull D, Rodricks JV, Mariano GF, Chowdhury F. Caffeine and cardiovascular health. Regul Toxicol Pharmacol. 2017;89:165-85. Review. [DOI] [PubMed]
Einstein (Sao Paulo). 2021 Nov 3;19:eAO6417. [Article in Portuguese]

Caracterização dos registros eletrocorticográficos, eletromiográficos e eletrocardiográficos após uso de cafeína em ratos Wistar

Diego Arthur Castro Cabral 1,, Fernanda Myllena Sousa Campos 1, Maria Clara Pinheiro da Silva 1, João Paulo do Vale Medeiros 1, Paula dos Santos Batista 1, Giovanna Coutinho Jardim 1, Jéssica Lígia Picanço Machado 1, Leonardo Giovanni Castro Cabral 1, Vanessa Joia de Mello 1, Moises Hamoy 1

RESUMO

Objetivo:

Descrever os perfis eletrocorticográficos, eletromiográficos e eletrocardiográficos para relatar os efeitos eletrofisiológicos da cafeína em ratos Wistar.

Métodos:

Foram utilizados ratos Wistar, machos, adultos, pesando de 230g a 250g. Os animais foram divididos nos seguintes grupos: Grupo 1, Controle com solução fisiológica 0,9% por via intraperitoneal (n=27), e Grupo 2, Tratado com Cafeína (50mg/kg intraperitoneal; n=27). Foram realizadas avaliações por eletrocorticograma, eletromiograma e eletrocardiograma.

Resultados:

Houve variações nas oscilações cerebrais (delta, teta, alfa, beta e gama) na faixa de frequência de até 40Hz após a aplicação de cafeína em ratos. Observou-se que as potências nas faixas das oscilações delta e teta foram preponderantes. A força de contração nos músculos estriado esquelético e cardíaco aumentou. A avaliação do eletrocardiograma demonstrou que a duração dos intervalos RR, QRS e QT foram menores na presença da cafeína.

Conclusão:

No sistema nervoso central, houve aumento dos espectros de amplitude delta, teta e alfa, que auxiliam na codificação das memórias e estão relacionados à melhora do aprendizado. Em relação à musculatura esquelética, demonstrou-se aumento da contração do músculo gastrocnêmio, uma clara indicação de como a cafeína pode ser usada para aumentar o desempenho em algumas atividades físicas. As alterações eletrocardiográficas observadas após a administração de cafeína estiveram relacionadas principalmente ao aumento da frequência cardíaca e do consumo de energia.

Descritores: Cafeína, Eletrocorticografia, Eletromiografia, Eletrocardiografia, Sistema nervoso central, Ratos Wistar

INTRODUÇÃO

A cafeína é um estimulante do sistema nervoso central (SNC) da classe das metilxantinas, e a droga psicoativa mais usada no mundo. O uso da cafeína é motivado pelo aumento da concentração, da cognição e do desempenho físico.( 1 )A droga também pode ser usada para tratamento da apneia idiopática da prematuridade( 2 )e da depressão respiratória aguda( 3 )e para controle da dor.( 4 )Dados epidemiológicos sugerem que o consumo habitual de café tem efeito protetor contra as doenças de Parkinson e Alzheimer, além de favorecer a perda de peso.( 4 , 5 )

A cafeína é um antagonista não seletivo dos receptores de adenosina, que estimula a atividade motora e tem efeitos excitatórios e de reforço.( 6 )A paraxantina é o principal metabólito da cafeína em seres humanos e promove liberação significativa de dopamina em áreas do estriado.( 7 )

O efeito estimulante da cafeína encontra–se amplamente descrito na literatura, sobretudo em estudos comportamentais e bioquímicos.( 1 , 6 , 8 )Entretanto, estudos quantitativos, descrevendo o impacto de alterações eletrofisiológicas nos diferentes sistemas após a administração do estimulante, são escassos.

OBJETIVO

Descrever as alterações eletrofisiológicas induzidas pela cafeína em ratos Wistar machos, com base em registros eletrocorticográficos, eletromiográficos e eletrocardiográficos.

MÉTODOS

Animais

Os animais foram obtidos do Biotério Central da Universidade Federal do Pará (UFPA) e alojados individualmente no Biotério Experimental do Laboratório de Farmacologia e Toxicologia de Produtos Naturais, de abril de 2019 a novembro de 2020. Os animais tinham acesso livre à água e a alimento, foram mantidos em ambiente com temperatura controlada (25°C a 28°C) e submetidos a um ciclo claro–escuro de 12/12 horas. Todos os procedimentos experimentais foram conduzidos em conformidade com os princípios de cuidados de animais de laboratório e aprovados pelo Comitê de Ética em Experimentação Animal (CEUA nº 2675110219).

Foram usados 54 ratos Wistar adultos machos, pesando entre 230g e 250g. Os animais foram alocados para um dos seguintes grupos: Grupo 1 (n=27), Controle, tratado com volume equivalente de solução fisiológica (salina a 0,9%, injeção intraperitoneal – IP), e Grupo 2 (n=27), Tratado com Cafeína (50mg/kg IP), conforme descrito por Marriott, 1968.( 9 )Os ratos foram submetidos à eletrocorticografia (ECoG), eletromiografia (EMG) e eletrocardiografia (ECG). Eletrodos implantados cirurgicamente foram utilizados para registro de sinal nos procedimentos de ECoG, EMG e ECG. A coleta dos dados foi realizada em grupos separados, no 5º dia após a cirurgia. As mensurações foram realizadas no mesmo dia, empregando–se o seguinte delineamento em blocos: os dados eletrocorticográficos foram coletados primeiro, seguindo–se dos dados eletrocardiográficos e, por último, dos dados eletromiográficos. Os dados foram coletados sem uso de anestesia. Os animais foram acomodados em caixas acrílicas medindo 60x50x20cm (comprimento, largura e altura, respectivamente).

Substâncias químicas

As seguintes substâncias químicas foram utilizadas: cloridrato de cetamina (Laboratório Köing, Santana de Parnaíba, SP, Brasil), cloridrato de xilazina (Laboratório Vallée, Montes Claros, MG, Brasil), lidocaína (Laboratório Hipolabor, Sabará, MG, Brasil) e cafeína em pó (Sigma), na forma de cristais diluídos em solução fisiológica 0,9%.

Procedimento cirúrgico para implante de eletrodos

O procedimento cirúrgico foi realizado sob anestesia geral com 5mg/kg de xilazina e 50mg/kg de cetamina. O sítio operatório foi anestesiado com lidocaína. Uma vez anestesiados, os animais foram colocados em um dispositivo esterotáxico e devidamente posicionados. O local de implantação foi tricotomizado, e uma incisão foi realizada através da pele e dos tecidos subcutâneos e musculares, até chegar ao crânio. Duas craniotomias pequenas foram, então, criadas, −0,96 e 1mm lateralmente à fontanela anterior (bregma), a fim de se obter acesso a cada um dos hemisférios cerebrais contendo o córtex motor, onde os eletrodos foram implantados na superfície do cérebro.( 10 )Um parafuso foi introduzido no local da craniotomia para fixação dos eletrodos com resina acrílica odontológica.

Eletrocorticograma

O preparo dos animais e a implantação dos eletrodos para aquisição do ECoG foram realizados de acordo com relatos prévios.( 11 )Os eletrodos foram posicionados 0,96mm e 1mm lateralmente à coordenada estereotáxica relativa ao bregma, em cada um dos hemisférios contendo o córtex motor.( 10 )Os eletrodos de registro e referência foram posicionados no hemisfério direito e esquerdo, respectivamente. No 5º dia após a cirurgia, os eletrodos foram conectados a um sistema de aquisição de dados composto por um amplificador de alta impedância (P511, Grass Technologies), monitorado com osciloscópio (Protek, 6510).( 12 )A administração intraperitoneal de cafeína foi realizada 15 minutos antes do registro. Os dados foram digitalizados de forma contínua a uma frequência de 1kHz, por meio de computador equipado com placa de aquisição de dados (National Instruments, Austin, TX, Estados Unidos). Os dados foram armazenados em um disco rígido e processados empregando–se software específico (LabVIEWexpress). Todo o experimento foi realizado em gaiola de Faraday.

Eletromiograma

Após a aquisição dos dados de ECoG, eletrodos conjugados foram implantados 0,5cm acima da inserção do músculo gastrocnêmio, conforme descrito na literatura.( 13 )A administração intraperitoneal de cafeína foi realizada 15 minutos antes do registro eletromiográfico. Os animais foram mantidos em uma caixa acrílica durante o procedimento de registro (duração de 10 minutos), sendo os eletrodos conectados a um amplificador Grass P511 monitorado com osciloscópio.( 13 )

Eletrocardiograma

Os eletrodos foram inseridos ao longo do vetor relativo à derivação D2. O eletrodo de referência foi colocado na região do quarto músculo intercostal, próximo à axila direita, e o eletrodo de registro no 11º espaço intercostal, 1,5cm à esquerda da linha sagital mediana.( 14 )Após a admi nistração intraperitoneal de 50mg/kg de cafeína e um período de latência de 15 minutos, os dados eletrocardiográficos foram registrados por 10 minutos em cada animal, analisando–se as seguintes variáveis: amplitude (mV), frequência cardíaca (bpm), intervalo RR, intervalo PQ, intervalo QT e duração do complexo QRS.

Análise dos dados eletrofisiológicos

Os gráficos de amplitude mostram a diferença de potencial entre o eletrodo de referência e o eletrodo de registro a uma frequência de amostragem de mil amostras por segundo. Os espectrogramas foram calculados empregando–se uma janela de Hamming com 256 pontos (256/1000 segundos), e cada quadro foi gerado com sobreposição de 128 pontos por janela. Para cada quadro, a distribuição de energia espectral (DES) foi calculada empregando–se o método do periodograma médio de Welch. O histograma de frequência foi gerado a partir do primeiro cálculo de DES do sinal empregando–se a janela de Hamming com 256 pontos sem sobreposição com a DES resultando em histograma construído com caixas de 1Hz. Os sinais registrados até a faixa de 50Hz foram analisados. As bandas de frequência foram analisadas da seguinte maneira: delta (1Hz a 4Hz), teta (4Hz a 8Hz), alfa (8Hz a 12Hz), beta (12Hz a 28Hz) e gama (28Hz a 40Hz).( 15 )

Análise estatística

A normalidade dos dados e a homogeneidade de variâncias foram verificadas por meio do teste de Kolmogorov-Smirnov e do teste de Levene, respectivamente. Os dados foram expressos como médias e desvios–padrão. Valores de F e p foram apresentados quando pertinentes. O nível de significância adotado foi de p<0,05. As comparações entre os grupos foram realizadas por meio da análise de variância (ANOVA) bidirecional seguida pelo teste de Tukey, para comparações múltiplas. O teste t de Student foi utilizado para comparação dos dados de ECoG, EMG e ECG (potência nas diferentes faixas de frequência) entre os Grupo Controle e Tratado com Cafeína. A ANOVA foi realizada apenas para análise da preponderância do espectro de frequência entre animais do mesmo grupo. As análises estatísticas para detecção e remoção de outliers foram realizadas empregando–se o software GraphPad Prism, versão 8 (Graph–Pad Software Inc., San Diego, CA, Estados Unidos).( 12 )

RESULTADOS

A cafeína alterou o espectro de potência das ondas cerebrais

Alterações importantes foram observadas no traçado do ECoG após a administração de cafeína em relação ao traçado inicial ( Tabela 1 ). O registro obtido no Grupo Controle pode ser visualizado na figura 1A , que mostra aumento da amplitude e da intensidade de potência no espectrograma em frequências inferiores a 10Hz. O traçado do ECoG, após a administração de cafeína, visualizado na figura 1B , mostra maior distribuição de potência acima de 10Hz.

Tabela 1. Valores numéricos obtidos nos registros eletrocorticográficos realizados durante os experimentos.

Grupo Delta (1Hz-4Hz) Teta (4Hz-8Hz) Alfa (8Hz-12Hz) Beta (12Hz-28Hz) Gama (28Hz-30Hz)
Controle, mV2/Hzx10-3 0,003883±0,0009877 0,01440±0,002569 0,01176±0,001643 0,007670±0,001497 0,003218±0,002155
Tratado com Cafeína, mV2/Hzx10-3 0,01227±0,001844 * 0,03031±0,006081 * 0,02189±0,003489 0,01979±0,003748 0,01173±0,001083
*

Médias <0,001 e

p<0,05 em relação ao Grupo Controle.

Todos os valores de ondas delta, teta, alfa, beta e gama obtidos nos Grupos Tratado com Cafeína foram apresentados.

Figura 1. Registro dos eletrocorticogramas do Grupo Controle e do Grupo Tratado com Cafeína. A) Eletrocorticograma do Grupo Controle, com ampliação do traçado que revela intensidade de potência nas frequências abaixo de 10Hz; B) Registro eletrocorticográfico obtido após a administração intraperitoneal de 50mg/kg de cafeína onde há um predomínio nas frequências acima de 10Hz; C) Distribuição de energia espectral após a administração intraperitoneal de cafeína (50mg/kg) ou solução fisiológica (controle) e as suas respectivas oscilações cerebrais. Os dados foram analisados por comparação de médias, empregando-se o teste t seguido do teste de Mann-Whitney, com nível de significância de p<0,001 (n=9).

Figura 1

A distribuição das ondas cerebrais pôde ser visualizada nos traçados registrados antes e depois da administração de cafeína ( Figura 1C ). Observou–se aumento da potência em ondas de baixa frequência, principalmente até 40Hz (p<0,001). De forma geral, a maior amplitude do espectro de potência do sinal ficou entre 1Hz e 8Hz, que corresponde a ondas delta e teta (p<0,001).

O espectro de potência do Grupo Controle revelou a seguinte relação: teta > alfa > beta > delta = gama (p<0,05), ilustrada na figura 2A . No Grupo Tratado com Cafeína, o perfil dominante de oscilação foi: teta > alfa = beta > delta = gama (p<0,05) ( Figura 2B ).

Figura 2. Amplitude média de potência das oscilações cerebrais delta, teta, alfa, beta e gama nos Grupos Controle e Tratado com Cafeína (50mg/kg). A) Potências das ondas cerebrais predominantes no Grupo Controle; B) Potências predominantes nas oscilações cerebrais nos animais que receberam cafeína por via intraperitoneal; C) Comparação das oscilações detectadas em cada grupo (n=9).

Figura 2

A oscilação média da onda delta antes e após a administração de cafeína (0,003883±0,0009877mV2/Hzx10–3e 0,01227±0,001844mV2/Hzx10–3, respectivamente) diferiu de forma significante (p<0,0001), sendo maior no Grupo Tratado com Cafeína. No Grupo Controle, as oscilações médias nas faixas teta (0,01440±0,002569mV2/Hzx10–3) e alfa (0,01176±0,001643mV2/Hzx10–3) diferiram de forma significante em relação ao Grupo Tratado com Cafeína (teta, 0,03031±0,006081mV2/Hzx10–3e alfa 0,02189±0,003489 mV2/Hzx10–3; p<0,001). A oscilação média na faixa beta no Grupo Controle (0,007670±0,001497mV2/Hzx10–3) diferiu de forma significante em relação ao Grupo Tratado com Cafeína (0,01979±0,003748mV2/Hzx10–3; p<0,001). Na faixa de oscilação gama, a média foi de 0,003218±0,002155mV2/Hzx10–3no Grupo Controle e de 0,01173±0,001083mV2/Hzx10–3no Grupo Tratado com Cafeína (p<0,001).

A cafeína aumentou a amplitude de contração da musculatura esquelética estriada

O registro eletromiográfico apresentado na figura 3A e na tabela 2 mostra o padrão de contração muscular em baixa amplitude (até 1mV), com espectrograma de distribuição de energia até 50Hz. Passados 15 minutos da administração intraperitoneal de cafeína, a frequência de contrações aumentou, com registro de amplitude acima de 2mV e concentração mais alta de energia, como mostra a figura 3B .

Figura 3. Registro eletroneuromiográgico da contração do músculo gastrocnêmio. O tempo de registro foi de 300 segundos. A) Registro dos animais do Grupo Controle; B) Registro após a administração de cafeína; C) A potência observada no registro completo em frequências de até 50Hz demonstra a potência das contrações musculares mensuradas nos animais controle e tratados com cafeína; D) Potência das contrações mais fortes registradas nos Grupos Controle e Tratado com Cafeína, em tempo fixo de 5 segundos de contração (n=9).

Figura 3

Tabela 2. Representação numérica dos valores obtidos durante o estudo eletromiográfico.

Grupo Controle (mV2/Hzx10-3) Cafeína (mV2/Hzx10-3)
Registro EMG completo 6,676±2,702 28,22±6,736
Registro da contração mais forte (EMG) 12,94±4,470* 78,56±26,46
**

Médias p<0,05 e

<0,01 em relação ao Grupo Controle.

EMG: eletromiografia.

Todos os valores obtidos nos Grupos Controle e Tratado com Cafeína foram apresentados. Valores encontrados no estudo de eletromiografia e valores referentes exclusivamente à contração mais forte do músculo gastrocnêmio também foram apresentados.

As diferenças de amplitude entre o total de registros até 50Hz mostradas na figura 3 indicam que a potência média diferiu de forma significante entre o Grupo Controle e o Tratado com Cafeína (6,676±2,702mV2/Hzx10–3e 28,22±6,736mV2/Hzx10–3, respectivamente; p<0,001) ( Figura 3C ). A análise das contrações mais fortes registradas no Grupo Controle e no Grupo Tratado com Cafeína revelou diferença significante (12,94±4,470mV2/Hzx10–3e 78,56±26,46mV2/Hzx10–3, respectivamente; p<0,001) ( Figura 3D ).

A cafeína alterou os parâmetros eletrocardiográficos

As principais alterações eletrocardiográficas observadas após a administração de cafeína foram relacionadas ao aumento da frequência cardíaca, como mostrado nas figuras 4A, B, C e D . Houve aumento significante da frequência cardíaca após o uso da cafeína (249,2±21,26bpm e 303,7±7,194bpm, para os Grupos Controle e Tratado com Cafeína, respectivamente; p=0,0004) ( Figura 4E e Tabela 3 ).

Figura 4. Eletrocardiograma dos animais e ampliação do traçado eletrocardiográfico. A) Traçado do Grupo Controle na derivação D-II; B) Eletrocardiograma do Grupo Tratado com Cafeína na derivação D-II; C) Ampliação do intervalo de 40 a 50 segundos do Grupo Controle; D) O intervalo entre 40 e 50 segundos do eletrocardiograma dos animais tratados com cafeína está ampliado; E) Traçado do eletrocardiograma dos ratos em ritmo sinusal na derivação D-II, mostrando os intervalos analisados, 1 segundo de aumento; F) Traçado eletrocardiográfico do Grupo Tratado com Cafeína, demonstrando as características da deflagração cardíaca e encurtamento do intervalo R-R, 1 segundo de aumento.

Figura 4

Tabela 3. Apresentação numérica dos valores obtidos durante a execução do estudo eletrocardiográfico.

Parâmetro Frequência cardíaca (bpm) Amplitude (mV) Intervalos RR (segundos) Duração QRS (segundos) Intervalos QT (segundos) Intervalos PQ (segundos)
Controle 249,2±21,26 0,4746±0,04072 0,3453±0,01276 0,01011±0,001364 0,0570±0,004062 0,07056±0,003779
Tratado com Cafeína 303,7±7,194 * 0,5250±0,01949 0,2400±0,03651 * 0,0082±0,0007953 0,03153±0,004996 * 0,08306±0,007435 *
*

p<0,001 em relação ao Grupo Controle e

p<0,01 em relação ao Grupo Controle.

Lista de parâmetros obtidos dos registros eletrocardiográficos dos Grupos Controle e Tratado com Cafeína (teste t de Student e teste de Mann-Whitney).

A amplitude média também aumentou de forma significante após a administração de cafeína (0,4746±0,04072mV e 0,5250±0,01949mV para Grupo Controle e Grupo Tratado com Cafeína, respectivamente; p=0,0061). O aumento da frequência cardíaca no registro revelou encurtamento do intervalo RR no ECG ( Figuras 4E e F ); as médias diferiram de forma significante entre o Grupo Controle e o Grupo Tratado com Cafeína (0,3453±0,01276 segundos e 0,2400±0,03651 segundos, respectivamente; p=0,0004). A duração média do complexo QRS também foi caracterizada pela diminuição do tempo de execução e diferiu de forma significante entre o Grupo Controle e o Grupo Tratado com Cafeína (0,01011±0,001364 segundos e 0,0082±0,0007953 segundos, respectivamente; p=0,0062). O ciclo cardíaco representado pelo intervalo QT, que envolveu o período de despolarização e repolarização ventricular, também diferiu estatisticamente (média de 0,0570±0,004062 segundos e 0,03153±0,004996 segundos no Grupo Controle e no Grupo Tratado com Cafeína, respectivamente; p=0,0004). No caso do intervalo PQ, a média foi de 0,07056±0,003779 segundos no Grupo Controle e de 0,08306±0,007435 segundos no Grupo Tratado com Cafeína ( Tabela 3 ).

DISCUSSÃO

Neste estudo, os registros de ECoG, EMG e ECG foram empregados para descrever alterações eletrofisiológicas observadas em ratos após a administração de cafeína. No Grupo Tratado com Cafeína, a potência média foi 50% mais alta na amplitude das oscilações cerebrais delta em relação ao controle. Acredita–se que as ondas delta contribuam para a codificação de memórias e para o aprendizado.( 16 )Efeitos agudos positivos sobre a atenção também foram demonstrados na maioria dos estudos que investigaram os efeitos da cafeína sobre a cognição.( 17 )Esse achado também pode estar relacionado ao estágio delta, uma vez que a atividade delta modula o desempenho mental por meio da inibição de estímulos não relacionados à tarefa a ser executada, aumentando o nível individual de atenção durante a execução de tarefas que requerem processamento cerebral interno cuidadoso.( 18 )

O ritmo teta é implicado em diversas atividades, como estabelecimento de padrões de palavras para reconhecimento da fala e sincronização de movimentos de microssacadas, frequentemente observados no contexto exploratório e atento e na aprendizagem implícita, uma categoria de aprendizagem em grande parte inconsciente e independente do hipocampo.( 1921 )

As ondas alfa guardam relação com o processamento cognitivo e a autorregulação e aumentam em situações associadas a ganhos de atenção.( 22 , 23 )As oscilações beta são um forte preditor do desempenho perceptivo e motor.( 24 )Essas oscilações têm relação com estados de alerta, foco e pensamento ativo.( 25 )No córtex superior, as ondas gama aumentam durante o uso da memória de trabalho e aprendizagem. Essas oscilações participam da comunicação neural, refletindo a transferência de informações do mundo exterior para o encéfalo.( 26 )

O aumento da amplitude de todas as ondas cerebrais neste estudo ( Figura 1C ) sugere que a cafeína ou qualquer de seus metabólitos pode afetar direta ou indiretamente as vias envolvidas na geração desses ritmos, podendo estimular as funções cognitivas associadas às oscilações cerebrais e corroborando o fato de que a cafeína age como um estimulante do SNC.( 6 )

Neste estudo, a administração intraperitoneal de cafeína aumentou a frequência de contração do músculo gastrocnêmio, registrando–se maiores amplitude (2mV) e concentração de energia ( Figura 3B ) em relação ao Grupo Controle (amplitude de 1mV) ( Figura 3A ). As disparidades de força de contração muscular entre os Grupos Controle e Tratado com Cafeína encontram–se ilustradas na figura 3 . Diferenças significativas (p<0,05) entre as duas porções analisadas podem ser observadas, sobretudo no gráfico que mostra as contrações musculares mais potentes. Assim, a cafeína pode afetar a função da musculatura esquelética, promovendo maior desempenho mecânico por meio do aumento da capacidade do músculo de produzir força, trabalho e energia.( 27 )Portanto, a melhora das habilidades motoras pode ser atribuída à cafeína, conforme descrito por outros pesquisadores.( 28 )

A cafeína estimula a atividade miocárdica, o que diminui o tempo de contração e resulta no aumento da frequência cardíaca. Além disso, ela possui efeito inotrópico positivo, uma vez que aumenta a força de contração.( 29 )Neste estudo, a frequência cardíaca e a força de contração cardíaca ( Figura 4C ) aumentaram nos ratos tratados com cafeína. Combinados, esses efeitos se traduzem em maior gasto calórico, o que confere à cafeína o status de agente termogênico, capaz de intensificar os efeitos ergogênicos.( 30 )Além disso, o conceito de que o consumo moderado de cafeína (400mg a 600mg ao dia) não aumenta o risco de desenvolvimento de doença cardiovascular é amplamente difundido; ao contrário, parece haver um efeito protetor sobre o sistema cardiovascular. Entretanto, indivíduos predispostos ou que sofrem de doenças cardiovasculares parecem ser mais sensíveis aos efeitos da cafeína.( 31 )

CONCLUSÃO

Este trabalho demonstrou as principais alterações eletrofisiológicas observadas no sistema nervoso central, no miocárdio e na musculatura esquelética após a injeção intraperitoneal de cafeína. As alterações eletrofisiológicas aqui descritas corroboram os efeitos agudos positivos sobre o nível individual de atenção, conforme observado após o consumo de bebidas cafeinadas com intuito de manter o estado de alerta. No sistema nervoso central, observou–se aumento dos espectros de amplitude delta, teta e alfa, associados à codificação de memórias e à melhora da aprendizagem. No que se refere à musculatura esquelética, foi demonstrado aumento da contração do músculo gastrocnêmio, uma indicação clara de como a cafeína pode ser utilizada para melhorar o desempenho em algumas atividades físicas. As alterações eletrocardiográficas observadas após a administração de cafeína se referem principalmente ao aumento da frequência cardíaca e do consumo de energia. A descrição de alterações quantitativas de mensurações realizadas nesse espectro eletrofisiológico é de interesse para estudos futuros destinados a determinar a dose diária ideal de cafeína e a descrever com mais detalhes os efeitos positivos, negativos e tóxicos associados ao uso desse estimulante.


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