On olemassa useita teorioita, jotka ehdottavat yhteyttä kofeiinin ja muistin välillä. On osoitettu, että kofeiinilla on vaikutusta lyhytaikaiseen muistiin, koska se edistää väliaikaisesti keskittymistä. Alustavat eläinkokeet ovat osoittaneet, että säännöllisellä kofeiinin kulutuksella voi myös olla pitkäaikainen vaikutus Alzheimerin tautia sairastavien muistiin.
Kofeiinilla on suora vaikutus aivotoimintaan. Se stimuloi aivojen alueita, jotka kattavat lyhytaikaisen muistin ja huomion. Kofeiini supistaa aivojen verisuonia ja tehostaa aineenvaihduntaa. Tämä lähettää energiaa aivoihin, vaikka se myös alentaa sydämeen kulkevan hapen määrää. Se lisää aivotoimintaa otsalohkossa, muistin sijaintia ja huomiosta vastaavaa etuhammasta.
Vahvin yhteys kofeiinin ja muistin välillä on väliaikainen lisäys, jonka se antaa lyhytaikaiselle muistille. Aivojen neuronit toimivat nopeammin kofeiinin vaikutuksesta, mikä aiheuttaa ketjureaktion, joka johtaa henkiseen valppauteen. Kofeiinin piristävä aine antaa paremman keskittymiskyvyn ja näin ollen paremman tiedon muistamisen.
Hyödyllinen yhteys kofeiinin ja muistin välillä kestää noin kolmesta viiteen tuntia. Tänä aikana säilytetyn suuremman tietomäärän vaikutuksella voi olla pitkäaikainen vaikutus. Aistien parantamisen lisäksi kofeiini on auttanut ihmisiä saavuttamaan parempia pisteitä testeissä ja tekemään parempia päätöksiä stressaavissa tilanteissa tärkeiden yksityiskohtien paremman säilyttämisen ansiosta.
Kofeiini lisää myös dopamiinia, kemikaalia, joka liittyy hyvinvoinnin tunteisiin. Positiivinen mielentila vähentää stressiä ja antaa keholle mahdollisuuden rentoutua, mikä parantaa elinten, kuten aivojen, yleistä toimintaa. Tämä vaikutus on syvin kevyemmille kofeiinin käyttäjille.
Useita eläinkokeita kofeiinin ja muistin välisestä yhteydestä on tehty Alzheimerin potilailla. Nämä tutkimukset paljastivat, että säännöllinen kofeiinin nauttiminen pitkällä aikavälillä voisi auttaa estämään hermoston rappeutumista. He ehdottivat, että kofeiinilla voisi olla ennaltaehkäisevä vaikutus muistin heikkenemiseen.
Näissä tutkimuksissa kofeiinin ja muistin välinen yhteys liittyi aivotoiminnan säilyttämiseen eikä tehostamiseen. Näissä tutkimuksissa havaitut muistihyödyt liittyivät kohtuulliseen, säännölliseen kofeiinin käyttöön – mikä vastaa neljää annosta päivässä ihmisille. Kofeiinin kulutus on suojattu kolesterolin hermosoluja sakeuttavalta vaikutukselta ja Parkinsonin ja Alzheimerin taudin alkamisesta laboratorioeläimissä.