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睡眠并不是一种固定的安静状态，在那期间大脑在进行大量非常复杂的活动，而脑科学还未完全破解睡眠的秘密。要完全破解睡眠，还需要脑科学领域有更多的突破，但是，这并不妨碍我们以现有的大量发现来解释睡眠的作用。
人在睡眠状态下要做很多事，睡眠以阶段性周期的方式进行，分为浅睡、深睡和快速眼动三大状态，每种状态也有不同的阶段，后面介绍睡眠周期时我们会详述。
首先，睡眠并不是为了减少能量消耗，虽然在正常睡眠期间的代谢率会比醒着的时候低15%左右，但身体和大脑在很多睡眠阶段都是高度活跃的，耗能甚至比清醒时的安静状态还要高很多。其次，睡眠也并不是为了在夜间躲到安全的地方，这反而让人类和其他动物容易被食肉动物捕食。最后，虽然动物都需要睡眠，但是不同物种进化出了完全不同的睡眠模式以应对其独特的进化压力。
正如前面所说，睡眠是一个主动而不是被动的过程。植物不需要睡觉，而动物在一定量的活动后需要睡觉，进入另一种生理状态来恢复身体机能，并重新调整体内的生理状态以达到“稳态平衡”，简单说，就是需要对醒着的时候发生的一切进行代谢， 睡眠的本质是生物必需的代谢需求 。让我们简单了解一下睡眠中发生了什么，从而帮助我们了解睡眠的作用。现阶段能达成共识的几种科学假设，都认为睡眠有以下三大功能。
（1）维持身体的新陈代谢平衡，完成修复、控制发育和调节免疫系统
人体内有大量神经递质、激素等，需要保持微妙的平衡才能让人每天醒来以良好的状态投入新一天的活动中。如果任由体内任何一种生理活动持续进行，都会导致过度，最终伤害人体基本的生理机能，打破稳态平衡。
越来越多的科学实验证据表明，所有活的多细胞生物都需要睡觉，只不过睡眠时长和睡眠方式各有不同，我们在后面会详细解释。近年科学家观察到，即便是没有脑细胞的秀丽隐杆线虫、水螅也会睡觉，因为身体需要新陈代谢或消化。从动物进化学的角度来说，在动物进化出大脑之前，就先有了内脏，有了内脏就需要代谢。从进化的角度来说，睡眠比大脑更早出现
。
首先，睡眠是保持代谢平衡的必要条件。
所有动物，不论是脊椎动物还是昆虫，在睡眠休息阶段时身体的新陈代谢都会减少，神经系统发生变化。在一天的不同时间，细胞会发挥不同的代谢功能，来做不同的事情，帮助我们调节。正如前面提到的，睡眠最主要的作用就是调节体内的各种代谢活动，以维持体内的稳态平衡，这对人体非常重要。
当你处于休息阶段时，身体活跃度下降，体温下降，与此同时大脑的功能也会发生很多变化。睡觉时，大脑内持续发生的变化比清醒时更大、更剧烈，这在脑电图、核磁共振脑活跃图、化学药理监测上都能准确反映，这些剧烈活动说明身体在进行新陈代谢。
其次，大脑经过一天的运转，必须要进入睡眠状态才能恢复。
大家都知道人在睡眠过程中身体可以自行恢复并清除日间活动期间积累的各种生理代谢堆积的有害物质。但大部分人并不知道，大脑需要睡眠才能恢复，而身体其余部分在醒着的静态休息中的恢复效率并不比睡眠期间差，所以从某种意义上来说睡眠主要是为了大脑。而且，睡眠期间是细胞修复DNA最高效的时间段
。大脑的这种恢复主要发生在深度睡眠期间，在此期间，体温、心率和脑部氧气消耗会降低来支持大脑加速恢复。睡眠具有强大的恢复功能，可帮助清除大脑中积累的蛋白质和潜在的神经毒性废物，这些废物可能导致各种疾病、过早的衰老和神经认知障碍。
我们都知道智能手机或电脑运行久了会有很多残留进程同时运行，从而拖慢运行速度，关闭无用的进程可以加速。大家会发现在连续几晚熬夜后做事效率变低、反应慢、注意力很难集中、身体肌肉酸痛等。这背后的原因是什么呢？大脑运行一天后会有大量神经突触紧密连接，维持和增强神经突触连接会消耗大脑大部分的资源，并削弱细胞的其他功能，例如合成蛋白质修复损伤细胞。睡眠可以关闭或削弱神经突触连接，减少不必要的大脑资源调用，否则大脑的新陈代谢运行会很快劳损过度直到难以维持。睡醒后，我们的警觉性会提高，神经和肌肉反应时间缩短，可以更好地应对突发危机。同时，脑脊液会清理掉大部分与疲劳感有关的大脑化学物质，让人恢复精神。
再次，睡眠对于体内各种激素分泌的时间和幅度起关键作用。
因为各种激素在能量平衡和新陈代谢中起主要作用，所以睡眠对体内的新陈代谢具有相当大的影响。我简单举例说明一下，深度睡眠期是脑垂体释放人体生长激素最重要和最多的时期，而生长激素决定了青少年的生长发育，所以人长个子都是在晚上；对于成年人而言，则可调节新陈代谢和自我修复并形成健康的肌肉和提升骨骼质量，这也是健身的人都说睡眠很重要的原因，因为肌肉主要在晚上长。相反，缺少睡眠时，你的身体无法进行合理调节，会自动堆积脂肪。
最后，睡眠对于免疫系统至关重要
。
睡眠可以加速伤口愈合
。2014年的一项研究发现，剥夺睡眠会导致癌症，并削弱免疫系统消灭癌细胞的能力，加速体内器官癌变。睡眠时大脑会调整和清理全身各种激素，让第二天大脑和神经的功能“满血复活”。睡着后，你的免疫系统会释放一种被称为“细胞因子”的小蛋白质，它能调节免疫系统，让人处在最佳的防御状态。
最近几年，科学家还发现人的大脑中有一种只有在睡眠中才活跃的胶状淋巴系统，它在清醒时不起作用。在夜间活跃时，它会清理特定的血管和淋巴系统中的废物，包括细菌、病毒和导致阿尔茨海默病的β-淀粉样蛋白。这一切都表明睡眠的确可以增强免疫功能和防止神经元退化。
（2）巩固学习、认知和记忆
有一种通俗的信息处理理论认为大脑像计算机机械硬盘一样，白天对发生的事情进行了大量记录，然后在睡觉时需要进行认知的碎片整理和重新检索排序并储存。人在睡眠时，有一个阶段眼睛会快速移动，此时人脑高速活跃，各种记忆和印象碎片重组排放，这可能是导致稀奇古怪的梦产生的原因。而生理机能理论认为睡眠可以通过高度活跃的大脑刺激促进神经发育并形成各种新的神经信号回路，建立更多的神经连接。所以，小孩子睡觉时的快速眼动睡眠需求更多，做梦时间也更多。
睡眠好的人，记忆会更清晰，因为大脑进行了深度学习、排列组合归类所有的事项和时间线，大脑缓存也得到了更好的释放，效率更高。最新的研究发现，人在深度睡眠阶段大脑皮层的少数活跃的神经元会形成集合，选择性隔离特定神经元，让这些神经元在海马体与皮质信号交流中发送重要信息，以形成长期记忆。事实证明，睡眠在所有长期记忆形成中都起到了关键作用。
记忆不是只存在大脑的某一个位置，而是在大脑的不同部位形成了不同类型的记忆。通常分为两类。
第一类，陈述式记忆（declarative memory），顾名思义就是可以用文字描述出来的记忆，是有意识的记忆，例如电话号码、人的名字、书本内容。
第二类，程序性记忆（procedural memory），也叫作非陈述式记忆，一般是人的多个感官知觉综合的记忆，例如骑自行车需要调动平衡感、触感等多个知觉，且无法量化地用文字描述。这类记忆往往需要人多次尝试才能逐渐获得，在利用这类记忆时不需要意识的参与，也就是人们常说的学会就不会忘的技能。
人熟睡时，会在深度睡眠和快速眼动睡眠状态间切换，这两个不同的睡眠阶段都有助于增强复杂的陈述式记忆。对于读书的学生来说，很可能有过这种体验，如果你天天熬夜导致睡眠不足，去参加考试，你明知道这是做过的题，却怎么都答不上来了，这就是因为缺少睡眠导致大脑无法检索出学过的知识。造成这种情况的部分原因是，在睡眠过程中白天的短期记忆没能得到巩固变成长期记忆。很多研究认为，在深度睡眠和快速眼动睡眠期间，你的记忆整理后可以让你更加快速地回忆起看过的信息。因此，如果你一直在学习，从来没有好好睡过，学习效率反而会下降，因为你没有利用大脑的记忆整理机制帮助你以更长久的方式将记忆存储在大脑中。因此，在考试之前你最该做的是睡个好觉，记忆会更好，思维也会更加敏捷。
关于程序性记忆，在一个脑科学研究中，实验人员要教实验对象学一些手势动作，然后将其分成两组，一个组在早上学习任务下午测试，另一个组在晚上学习任务第二天再测试。他们发现，一旦在学习和测试之间引入睡眠，被试睡醒后的表现明显好得多。有多个实验证明如果以快速眼动睡眠为主的睡眠不停被打断或质量不好，则程序性记忆会很差。
研究还表明，睡眠不足实际上会干扰视觉和听觉的学习能力，尤其是在N2阶段的睡眠被干扰，影响最大。睡一晚之后，被试的表现要好得多，有时甚至小睡一会儿也很好。而N3阶段的慢波深度睡眠和快速眼动睡眠对于学习和记忆则更重要，在这两个特定阶段如果受到干扰，会导致所获得的知识丢失。
（3）调整情绪
对于很多忙了一天的人来说，一天中最开心的时刻就是躺床上睡觉。人类现在已经不需要像动物一样四处觅食、随遇而安，晚上也不需要防御天敌。人有个舒适的环境可供睡觉，是件非常幸福的事，躺下后一切烦恼都没有了。正如前面提到的睡眠是自适应的行为，对于大多数生物而言，睡觉可以让它们恢复平静、节省体力、躲避危险，本身就是一件开心的事。
睡觉时，我们的体内有很多机制帮助我们调节情绪。除了前面提到的清理大脑中的压力激素等，控制睡眠的光敏细胞会影响褪黑素分泌，从而影响睡眠质量，同时会投射到大脑中的情绪调节区域触发情绪，比如抑郁、焦虑等。而快速眼动睡眠阶段发生的肌肉麻痹会使我们无法做出动作去执行自己的梦，但同时又把积压的情绪彻底释放了。
快速眼动睡眠阶段，曾经被称为“悖论性睡眠”，因为看起来和传统的睡眠概念是自相矛盾的。在此期间，人或动物的脑电图看起来都和清醒时完全一样，思维高度活跃，但实际上人或动物都处于熟睡状态。这个时候人的全身绝大部分肌肉都处在麻痹状态，被称为快速眼动睡眠期间的肌张力抑制。有一种科学假设是人在全身肌肉麻痹的时候，大脑在高速运转，这样可以使我们在大脑做梦时无法真的通过身体执行动作，防止我们伤害到自己，但又可以把情绪彻底释放，是进化出的一种非常强大的能力。
快速眼动睡眠期间可以清除大脑中蓝斑核分泌的去甲肾上腺素。去甲肾上腺素，是人体最重要的激素，负责集中注意力，让大脑和身体兴奋起来做好行动准备，它还可以改善情绪和缓解疼痛。快速眼动睡眠期间，去甲肾上腺素减少，同时应激激素也有所降低，从而让大脑激活更多回忆，有时候会夹杂碎片记忆呈现在梦境中，但减弱了我们对这些回忆的情绪，让我们更客观地思考过去。因此，长期睡眠质量越高，对触发情感记忆的事件做出的反应就越温和，内心也就不会那么脆弱。
睡眠与情感之间还存在更明显的联系。决定人白天状态的体内激素水平也主要由睡眠决定，例如皮质醇。这种帮助人类应对压力的激素，在清晨增加并使人醒来；但在睡眠期被抑制，从而减少人的压力感知。另外，通过核磁共振扫描可以观察到睡眠不足的人，大脑深处的控制情感的区域会异常活跃，专门负责产生强烈情绪的杏仁核反应比正常情况下要强烈近60%。在那些睡眠不足的人的大脑中，控制人整体行为的前额叶皮质与控制情绪的杏仁核之间的正常交流和联系基本上被切断了，大脑无法控制过激行动，这就是睡眠不足的人很容易在情绪方面失控的原因。
美国国家精神卫生协会（NIMH）进行了另一项研究，通过限制50名7～11岁青少年的睡眠发现，睡眠不足会影响孩子的心理健康，使孩子的负面情绪增多，并减弱孩子清醒时积极的情感体验。例如，若孩子们两晚没睡好，便可导致快乐的情感体验减少，对事物的积极性降低，并且不易回想起快乐和积极的事情。相反，如果他们的睡眠时间是正常且充足的，那么他们则不易出现负面情绪。儿童有睡眠问题时易表现出焦虑和抑郁。青少年期是人类情绪调节系统发展至关重要的时期，睡眠时间的增加有助于提高青少年儿童大脑可塑性。早期实施干预，有助于调节儿童和青少年的情绪，降低其出现抑郁和焦虑的风险。
同时，医学界也发现，所有精神类疾病都被发现和睡眠质量不好有高度关联，比如患有严重抑郁症的患者通常会并发失眠。多种抗抑郁药物，都有促进觉醒的神经递质的作用，但会导致失眠，失眠又反过来加重抑郁，所以现在欧美医学界对于抗抑郁类药物持谨慎态度。情绪类药物和助睡眠类药物的相互抵抗，也是药理界的一个重要难题。如果能够诱发良好的睡眠，的确可以治愈很多精神类疾病。