Կոֆեինի խթանող ազդեցության նյարդա-քիմիական մեխանիզմում կարեվոր դեր է խաղում նրա՝ ուղեղի առանձնահատուկ (ադենոզինային) ռեցեպտորների ֆունկցիան կասեցնող հատկությունը: Ադենոզինը դիտարկվում է որպես ուղեղում գրգռման պրոցեսները նվազեցնող գործոն, այդ իսկ պատճառով դրա փոխարինումը կոֆեինով ունենում է հակառակ՝ խթանիչ, ազդեցություն: Սակայն կոֆեինի երկարատեվ օգտագործման դեպքում հնարավոր է, որ ուղեղի բջիջներում ձեվավորվեն նոր ադենոզինային ռեցեպտորներ, եվ այդ դեպքում կոֆեինի ազդեցությունը ուղեղի վրա հետզհետե կթուլանա: Միեվնույն ժամանակ, կոֆեինի օգտագործումը կտրուկ դադարեցնելու դեպքում ադենոզինը գրավում է բոլոր մատչելի ռեցեպտորները, ինչը կարող է առաջացնել կենտրոնական նյարդային համակարգի արգելակում՝ ընդհանուր հոգնածության, քնկոտության, նյարդային դեպրեսիայի եվ այլ նման երեվույթների դրսեվորմամբ: