L'effet stimulant du café vient de son action sur nos récepteurs membranaires à l'adénosine. L'adénosine - molécule indispensable à la synthèse de l'ATP, principale source d'énergie de notre organisme - est un neuromodulateur du système nerveux central qui possède des récepteurs spécifiques. Quand l'adénosine se fixe sur ses récepteurs, l'activité nerveuse est ralenti - nous devenons somnolents. L'adénosine facilite donc le sommeil et dilate aussi les vaisseaux sanguins, probablement pour assurer une bonne oxygénation lorsque nous dormons.

Or, la caféine est un antagoniste des récepteurs à l'adénosine. Elle se fixe sur les mêmes récepteurs, mais sans réduire l'activité neuronale. Il y a donc moins de récepteurs disponibles pour le frein naturel à notre activité qu'est l'adénosine, ce qui mène à une activation des neurones et donc, un éveil (Animation Flash ci-contre).

L'activation de plusieurs circuits neuronaux par la caféine va aussi amener l'hypophyse à synthétiser des hormones qui vont faire produire davantage d'adrénaline aux glandes surrénales. L'adrénaline étant l'hormone de la fuite ou de la lutte, elle va augmenter notre niveau d'attention et donner un pic d'énergie à tout notre organisme. Un effet que les buveurs de café recherchent souvent.

En général, chaque tasse bue est stimulante et la tolérance au café, si elle existe, n'est pas très importante. En revanche, il existe une dépendance physique. Les symptômes du sevrage apparaissent une ou deux journées après l'arrêt de la consommation. Ils sont constitués surtout de maux de tête, de nausées et de somnolence chez environ un individu sur deux.

Enfin, comme la plupart des drogues, la caféine augmente la production de dopamine dans les "circuits du plaisir", ce qui contribue à entretenir la dépendance à cette drogue.

La nicotine imite l'action de l'acétylcholine, et se fixe sur un type particulier de ses récepteurs appelé récepteur nicotinique.

Que ce soit l'acétylcholine ou la nicotine qui se fixe sur le récepteur, celui-ci change de conformation, ce qui ouvre le canal sodiique qui lui est associé pendant quelques millisecondes. Les ions sodium entrent dans la cellule, dépolarisent la membrane et excitent le neurone. Puis, le canal se referme et le récepteur nicotinique devient transitoirement réfractaire à tout neurotransmetteur. C'est cet état de désensibilisation qui va être artificiellement allongé par l'exposition continue à la nicotine.

La dépendance au tabac, qui se développe très rapidement, vient du fait que les récepteurs nicotiniques sont présents sur les neurones de l'aire tegmentale ventrale qui projettent leurs terminaisons dans le noyau accumbens. Les stimulations nicotiniques répétées chez les fumeurs augmentent donc la libération de dopamine dans le noyau accumbens. Cependant, le fumeur chronique maintient, entre chaque cigarette, une concentration de nicotine suffisante pour désactiver les récepteurs et pour ralentir leur renouvellement. D'où la tolérance et la réduction du plaisir ressenti. Après une brève période d'abstinence (une nuit de sommeil par exemple) la concentration basale de nicotine redescend et permet à une partie des récepteurs de retrouver leur sensibilité. Le retour de tous ces récepteurs à un état fonctionnel hausse la neurotransmission cholinergique à un niveau anormal affectant l'ensemble des voies cholinergiques du cerveau. Le fumeur éprouve alors de l'agitation et de l'inconfort qui le conduit à fumer une nouvelle cigarette.

Une autre substance encore mal identifiée de la fumée du tabac inhibe la monoamine oxydase B (MAO B), une enzyme chargée de dégrader la dopamine recapturée. D'où une concentration plus élevée de dopamine dans le circuit de la récompense qui contribue aussi à la dépendance du fumeur.