Många häller på en kopp kaffe på morgonen för att vakna upp sig. Men exakt hur mycket koffein ska du konsumera - och när ska du ta det - för att uppnå "topp" vakenhet?
En ny algoritm syftar till att besvara den frågan.
Algoritmen, utvecklad av amerikanska arméforskare, tar hänsyn till människors sömnstabeller och identifierar hur mycket koffein de ska konsumera, och när, för att uppnå optimal vakenhet.
Forskarna fann att de med hjälp av denna algoritm kunde förbättra människors prestanda på en uppmärksamhetsuppgift med upp till 64 procent, även om människor konsumerade samma totala mängd koffein som de gjorde tidigare. (Algoritmen kan till exempel rekommendera en specifik mängd koffein på en gång och sedan en annan mängd senare på dagen.) Studien fann också att människor genom att följa algoritmens doseringsschema kunde minska sin koffeinförbrukning med upp till 65 procent och fortfarande uppnår samma prestanda.
"Vi utvecklade algoritmer som fungerar tillsammans, och de tillåter oss i grund och botten att bestämma, på individnivå, när och hur mycket individen ska ta koffein för att uppnå toppprestanda vid önskad tidpunkt, under önskad tid," säger studieförfattare Jaques Reifman, chef för DoD Biotechnology High Performance Computing Software Applications Institute vid US Army Medical Research and Materiel Command i Fort Detrick, Maryland.
Om du till exempel är en student som har blivit sömnberövad under den senaste veckan när du trampar för en kommande tentamen, syftar algoritmen till att berätta när du ska ta koffein "så att du är så vaken som möjligt under tentamen," Reifman berättade Live Science.
Forskarna har redan använt sin teknik för att utveckla ett webbaserat verktyg och en smarttelefonapp, kallad 2B-Alert, som kan förutsäga en persons vakenhet baserat på deras sömntid och koffeinförbrukning. Webbverktyget ger ett resultat för den "genomsnittliga Joe", medan smartphone-appen lär sig över tid hur en individ svarar på sömnbrist och koffein, sa Reifman.
För närvarande berättar den offentligt tillgängliga versionen av 2B-Alert inte människor när och hur mycket koffein som ska tas för att uppnå toppprestanda. Denna aspekt av arbetet valideras fortfarande i studier om amerikanska soldater.
I slutändan hoppas Reifman, även om arbetet utvecklas för militären, att det också kan gynna lekmännen, inklusive skiftarbetare, flygledare och till och med studenter som stämmer för ett test. "Vi lider alla av sömnbrist" då och då, sa Reifman.
Koffein och timing
Effekten av koffein beror inte bara på hur mycket du konsumerar, utan när du konsumerar det - för en sömnberövad person kanske en enda kopp kaffe på morgonen inte förhindrar dåsighet senare på dagen.
Tidigare utvecklade forskarna en matematisk modell, kallad den enhetliga prestandamodellen (UMP), som kunde förutsäga effekterna av sömnförlust och koffeinförbrukning på en persons prestanda. Men den här modellen berättade inte för människor exakt när och hur mycket koffein de behövde ta för att uppnå sin toppprestanda.
För att ta itu med denna fråga kombinerade forskarna UMP med en "optimeringsalgoritm." Den nya algoritmen använde personens sömnschema som ingång och gav en "koffeindoseringsstrategi" (när och hur mycket koffein att ta) som utgång.
Forskarna testade sedan sin algoritm med hjälp av data från tidigare studier om effektiviteten av koffein på personer som var sömnberövade. I dessa tidigare studier berövades människor sömn under viss tid och gavs specifika doser koffein. Sedan mätte forskarna hur väl koffeinet förbättrade deras prestanda på en enkel uppgift som mätte uppmärksamhet och reaktionstid.
I den nya studien genomförde forskarna datorsimuleringar för att undersöka människors prestanda med hjälp av koffeindoseringsstrategierna i de ursprungliga studierna, liksom doseringsstrategierna bestämda av den nya algoritmen.
De fann att doseringsstrategierna från den nya algoritmen kan förbättra människors prestanda med 16 till 64 procent och minska den totala koffeinförbrukningen med 17 till 65 procent, jämfört med tidigare studier.
Hur var detta möjligt? I en studie konsumerade till exempel deltagarna 400 mg koffein vid samma tidpunkt varje dag, i fem dagar, för totalt 2 000 mg. Men eftersom deltagarna var sömnberövade - fick bara 5 timmars sömn per natt - samlades de gradvis en "sömnskuld" som skadade deras prestationer, särskilt senare på dagen. Så optimeringsalgoritmen bestämde att deltagarna behövde mer koffein senare i veckan (särskilt senare på dagen) - och mindre koffein i början av veckan - för att optimera deras prestanda.
Medan den aktuella studien var retrospektiv (vilket innebär att den använde tidigare data) planerar forskarna en annan studie som testar algoritmen i realtid. I den framtida studien kommer soldater att berövas sömn under en viss tid. Ungefär halvvägs i denna period kommer algoritmen att avgöra hur mycket koffein varje solider behöver, och vid vilken tidpunkt, så att de uppnår åtminstone en viss nivå av vakenhet, sade Reifman.
Reifman sa att optimeringsalgoritmen borde finnas tillgänglig på 2B-Alert-plattformen någon gång före årets slut.
