睡眠的神经机制。目前认为，我们有特定的神经回路来保持清醒，如果这些回路关闭便会睡着。回路中的神经元位于脑干的网状激活系统，来自这一系统的信号进入丘脑。丘脑将这些信号与它接收到的感觉信息结合起来，并将其传递给大脑皮质。该系统利用一种被称为谷氨酸的神经递质，它可以激活神经，因此就像一扇门允许感觉进入丘脑中到达大脑皮质。如果这扇门关闭了，我们对外界就会失去知觉。这就是为什么周围有噪声或在移动时，我们也能睡着。
下丘脑中还有一个负责控制惊醒状态的系统，它是自主神经系统的一部分，负责调节心律、呼吸、出汗和其他自主生理过程。信号从这里沿着脑底部传到大脑皮层，这个系统就会利用组胺，抗组胺类抗过敏药物会阻止信号传递并导致嗜睡。这两个系统使我们保持清醒，促进睡眠的神经元和身体产生化学物质，会抑制它们，因此通常会慢慢进入睡眠状态。这个过程大约需要20分钟。如果睡眠不足，这个过程可以缩减到几分钟。
当我们醒来时，神经元会以一种有组织但不可预知的方式放电，脑电图可以揭示这一现象，表现为明显随机的微小的、快速的噪声一样的波。当进入睡眠状态，大脑皮质的神经元开始同步，神经元集合同时放电，且有大量电活动出现，而不是明显的混乱放电。随着我们睡得越来越熟，这些慢波就会变得越来越突出。这一过程由丘脑控制。丘脑在神经递质血清素的帮助下，阻断外界信号，并将大脑皮质上的细胞锁在一个重复的循环中。5-羟色胺则会减少活动，使人更容易放松。还有抑制血清素作用的药物，会阻止人们的睡眠。
如果睡眠受到抑郁的干扰，那么这两种情况都可以通过提升血清素水平来治疗。由于这类睡眠中神经元活动的同步性，因此也被称为同步化睡眠。人们将其分为四个阶段，从第一阶段到第四阶段，代表着越来越深的睡眠状态。其中第一阶段是轻度嗜睡，第四阶段是最深的慢波睡眠。
