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睡眠与觉醒是根据昼夜节律的周期变化，以中枢神经系统为主要驱动力的全身系列生理活动的节律性表现，也是自然界生物常见的基本生命要素，以确保生物体能够更加适应外周环境的变化。昼夜节律，又称为生物钟，是生物体内与时间有关的周期性现象。目前认为，觉醒、NREM睡眠和REM睡眠此三个不同脑功能状态受脑内觉醒发生系统、NREM睡眠发生系统和REM睡眠发生系统控制。觉醒、NREM睡眠和REM睡眠所构成的周期性变化是脑内各相关系统相互作用的动态平衡结果。另外，觉醒与睡眠转换还受昼夜节律过程［即C过程（circadian process）］和睡眠稳态过程［即S过程（sleep process）］调节。
一般认为，觉醒状态的维持与网状结构上行激活系统及其他脑内觉醒系统活动有关。其他觉醒发生系统包括蓝斑核去甲肾上腺素能、背缝核5-羟色胺能、黑质多巴胺能、结节乳头体核组胺能神经元和外侧下丘脑区的orexin能神经元系统等。
1．脑干网状结构 网状结构（reticular formation）是由Dieter首先提出的，它是指在延髓、脑桥和中脑的被盖区内，神经纤维纵横穿行，相互交织成网状纤维束，束间有各种大小不等的细胞，灰白质交织的结构。网状结构组织学特点是神经元的树突分支多而长，说明这些神经元可以接收和加工来自多方面的传入信息。可以认为，网状结构接受来自几乎所有感觉系统的信息，其传出联系则直接或间接地投射到中枢神经系统各个区域。如发自脑桥嘴侧和中脑网状结构的神经元纤维，经背侧在丘脑、腹侧在下丘脑及基底前脑中继，最终投射到前脑，兴奋大脑皮质。发自尾侧脑桥和延髓的网状结构的神经元也发出纤维投射到脊髓，以促进觉醒期的感觉-运动活动。
网状结构大部分神经元的上行和下行投射可能是利用谷氨酸作为神经递质。许多麻醉药物都是通过阻断谷氨酸能传递途径发挥效应，阻断了上行网状激活系统和下行网状-脊髓易化系统（reticulo-spinal facilitatory system）。中枢其他觉醒系统释放的递质也会影响谷氨酸能脑干网状结构神经元的活动。
2．蓝斑核去甲肾上腺素能神经元 蓝斑核（locus coeruleus，LC）位于三叉神经中脑核的腹侧、第四脑室底与侧壁交界处的室底灰质的腹外侧区，在脑桥中上部沿界沟向上伸展到中脑下丘下缘平面。在LC的腹外侧有一中型细胞分散分布的区域，称为蓝斑下核（peri-locus coeruleus alpha，peri-LCα）。LC神经元的轴突分为升、降支，在行程中反复分支，广泛分布于脑及脊髓的各部位。LC发出的上行神经纤维经前脑、脑干，投射至大脑皮质，促发觉醒。LC神经元放电活动在觉醒期活跃，NREM睡眠时减弱，REM睡眠时停止。
3．背缝核5 - 羟色胺能神经元 背缝核（dorsal raphe nucleus，DRN）沿脑干的中线分布，从延髓至中脑，有中缝隐核、中缝苍白核、中缝大核、中缝脑桥核、中央上核、中缝背核和线形核等核团。这些神经元的上行纤维主要投射至前脑和皮质，下行纤维则投射到脊髓。
DRN（特别是中缝背核和中央上核）是脑内5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）能神经元分布的主要部位。与去甲肾上腺素（noradrenaline，NA）能神经元一样，DRN的5-HT能神经元放电在觉醒期最为活跃，NREM睡眠时减弱，REM睡眠时停止，表明其具有促觉醒的作用。但是，5-HT能神经元的兴奋似乎与缺乏意识的觉醒状态更相关，诸如动物梳理毛发或是其他一些刻板的节律运动。它们还可能通过抑制促觉醒系统其他核团削弱大脑皮质的兴奋性。应用选择性5-HT再摄取抑制剂氟西汀，机体表现出日间思睡、夜晚活动增加、肌张力提高等复杂的生理活动。
4．中脑多巴胺能神经元 中脑多巴胺（dopamine，DA）能神经元位于黑质致密部、被盖腹侧区和红核后区，其神经纤维投射到纹状体、基底前脑及皮质，对维持觉醒具有一定的作用。
5．脑桥-中脑乙酰胆碱能神经元 脑干内有两群胆碱（acetylcholine，ACh）能神经元，分别位于脑桥嘴侧和中脑尾侧的背外侧被盖核（laterodorsal tegmental nucleus，LDT）及脚桥被盖核（pedunculopontine tegmental nucleus，PPT）。两者发出的上行纤维与网状结构的投射纤维相伴行，最终向背侧延伸到丘脑及向腹侧延伸到下丘脑和基底前脑，刺激大脑皮质兴奋。LDT和PPT的神经元放电在觉醒时活跃，NREM睡眠时减弱，REM睡眠又重新活跃。
6．下丘脑结节乳头核组胺能神经元 中枢组胺能神经元的胞体集中在下丘脑后部的结节乳头核（tuberomammillary nucleus，TMN），其纤维广泛投射到不同脑区，同时也接受睡眠中枢腹外侧视前区（ventrolateral preoptic area，VLPO）发出的抑制性GABA能及甘丙肽（galanin，GAL）能神经纤维支配。TMN神经元的自发性放电活动随睡眠与觉醒周期而发生频率变化。觉醒时放电频率最高，NREM睡眠期减缓，REM睡眠期中止。脑内组胺的释放也呈明显的睡眠觉醒时相依赖性，清醒期的释放量是睡眠期的4倍。组胺受体分为H 1 、H 2、 H 3 和H 4 共4种亚型。常见的第一代H 1 受体阻断药有明显的嗜睡作用。阻断H 1 受体或抑制组胺合成酶降低脑内组胺可诱发睡眠，利用H 1 受体基因敲除动物，发现H 1 受体是控制中途觉醒的重要受体，药物阻断H 1 受体，中途觉醒次数显著减少。下丘脑（orexin）、前列腺素E 2 受体4（prostaglandin E 2 receptor 4，EP 4 ）激动剂、H 3 受体拮抗剂等都可激动组胺系统而引起觉醒。
7．下丘脑能神经元 orexin（又称hypocretin）是1998年发现的具有促进摄食和促醒作用的神经肽。orexin神经元位于下丘脑外侧及穹隆周围，数量仅数千个，其纤维和受体分布十分广泛。orexin的两个单体orexin A和orexin B均来自前orexin原，通过两个G蛋白偶联受体（orexin R1和orexin R2）发挥作用。研究表明，orexin能神经元主要密集地投射到LC、DRN、TMN、LDT和皮质等，下丘脑侧部的orexin纤维也投射到TMN，能够促进觉醒相关递质的释放，兴奋大脑皮质，减少睡眠，增加与维持清醒。同时，orexin能神经元作为VLPO最大的纤维传入者，通过与VLPO的交互联系，在睡眠与觉醒周期的调控中也可能发挥着重要作用。此外，顺行追踪法证明orexin神经元直接接受来自视交叉上核的投射。这条通路可能是昼夜节律系统参与睡眠与觉醒周期调节的解剖学基础之一。因此，中枢orexin系统对睡眠与觉醒的调控及其周期性变化都起着关键的作用。
8．基底前脑（basal forebrain） 是指端脑和间脑腹侧的一些结构。广义的基底前脑包括下丘脑视前区和前区、隔核群、终纹床核、斜角带核群、无名质、伏核、嗅结节、嗅皮质和杏仁核群。而新近文献所指的基底前脑主要是指半球前内侧面和基底面的一些靠近脑表面的灰质。
基底前脑ACh能神经元对维持大脑皮质的兴奋具有很重要的作用。它们接受来自脑干及下丘脑觉醒系统的纤维投射，进而广泛地投射到大脑皮质。电生理研究显示，基底前脑的ACh能神经元在觉醒和REM睡眠期活跃，放电频率与脑电γ波及θ波的强度呈正相关，与δ波的强度呈负相关。光遗传学实验证明，选择性兴奋这部分数量不到基底前脑细胞总数5%的ACh神经元就可以导致小鼠NREM睡眠向觉醒或REM睡眠转换。由此认为，基底前脑的ACh能神经元与觉醒和REM的产生有关。
除ACh能神经元外，基底前脑还分布有谷氨酸能神经元和少量的GABA能神经元，其神经纤维投射到大脑皮质。谷氨酸能、GABA能及胆碱能皮质投射神经元的节律性放电与节律性θ样脑电活动相关。基底前脑非ACh能神经元与ACh能神经元共同组成了基底前脑中继站，中继从脑干网状结构及觉醒系统其他核团的神经纤维向皮质脑区投射。
综上，脑干网状结构、蓝斑核去甲肾上腺素能神经元、背缝核5-羟色胺能神经元、中脑多巴胺能神经元、脑桥-中脑乙酰胆碱能神经元、下丘脑TMN组胺能神经元、orexin能神经元和基底前脑等众多脑区和递质系统参与了对觉醒的调控。值得一提的是，脑干和下丘脑的觉醒促进系统之间亦有广泛的纤维联系，最终上行经基底前脑（腹侧通路）和丘脑（背侧通路）达到大脑皮质，发挥其启动和维持觉醒的效应。
NREM睡眠发生系统包括下丘脑的腹外侧视前区VLPO和下丘脑内侧视前核（median preoptic nucleus，MPN）。其中，VLPO在NREM睡眠发生中占有主导地位。丘脑、基底神经节、边缘系统部分结构和大脑皮质在NREM睡眠的诱发和维持方面也发挥一定的作用。另外，脑干内背侧网状结构和孤束核可能存在NREM睡眠相关神经元。孤束核主要通过影响与睡眠发生和自主神经功能有关的边缘前脑结构的功能而发挥作用。
1．下丘脑腹外侧视前区 VLPO位于下丘脑前部视前区腹外侧，是调节睡眠的关键核团之一。在觉醒转向NREM睡眠过程中，VLPO神经元放电频率增加，VLPO的兴奋和睡眠量呈正相关。选择性破坏VLPO，睡眠量下降。
视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）是哺乳动物的昼夜节律中枢，在睡眠觉醒周期中发挥着重要的调控作用。尽管SCN至VLPO的神经投射很稀少，但最近的研究发现，SCN发出的神经纤维可通过亚室旁带（subparaventricular zone，SPZ）腹侧中继，投射纤维到下丘脑背内侧核（dorsomedial hypothalamic nucleus，DMH），DMH进而发出神经纤维投射到VLPO及下丘脑外侧orexin能神经元，以调节睡眠与觉醒。由此推测，SCN可能以DMH为中转站对VLPO传递睡眠节律信号。
2．基底前脑及视前区GABA能神经元 与睡眠促进相关的GABA能神经元主要分布在基底前脑、视前区（preoptic area，POA）。例如，基底前脑和POA的GABA能神经元由背侧投射纤维到下丘脑后侧orexin能神经元，下行纤维投射到组胺能神经元和LC的NA能神经元，促进睡眠。有别于基底前脑的ACh能和谷氨酸能神经元，基底前脑及POA的GABA能神经元在睡眠期放电明显高于觉醒期，在睡眠剥夺后的睡眠恢复期这些神经元的c-fos表达明显增加。以上研究提示，基底前脑及POA对于促进睡眠具有重要作用。与其他GABA能神经元不同，基底前脑及POA的GABA能神经元活性受很多觉醒性递质的影响。药理学研究显示，NA可兴奋基底前脑ACh能神经元，而抑制非ACh能神经元。基底前脑及POA的GABA能神经的兴奋性在觉醒期被NA所抑制，随着LC的NA能神经元放电减弱，GABA能神经元去抑制而活化，促进NREM睡眠。
3．丘脑的GABA能神经元 1986年，Lugaresi等在致死性家族失眠症患者尸检中发现，丘脑前部腹侧核和内背侧核严重退变，而其他脑区仅有轻度退行性改变。由此推断，丘脑前部在睡眠调节中发挥重要作用。NREM睡眠中的纺锤波起源于丘脑。大鼠和猴的丘脑网状核中大部分是GABA能神经元。1990年，Steriade和McCarley认为NREM睡眠2期中纺锤波是丘脑网状核中GABA神经元与丘脑-皮质神经元之间相互作用的结果。从脑干投射到丘脑的ACh能神经纤维，可使网状核GABA能神经元超极化，并随即阻断纺锤波的发放。大脑皮质是NREM睡眠发生的执行机构，深睡期的δ波活动的幅度和数量反映大脑皮质的成熟程度，δ波的出现总是在丘脑-皮质神经元超极化时出现，因此任何使丘脑-皮质神经元去极化的因素皆可阻断δ波。
4．基底神经节、大脑皮质、边缘系统 基底神经节和大脑皮质可能也与睡眠的启动和维持有关。1972年，Villablanca等研究发现，去除动物的皮质和纹状体，完整保留低位脑干和间脑前区，睡眠周期发生异常，NREM睡眠明显减少。此研究提示，基底神经节和大脑皮质在睡眠的诱发和维持方面可能发挥了一定的作用。另外，电刺激尾状核与额叶皮质可引发皮质同步化活动和睡眠发生。毁损双侧前脑皮质可导致睡眠明显减少。破坏尾状核也会使睡眠暂时性下降。神经解剖学研究发现，下丘脑前部、视前区的睡眠相关结构与伏隔核、杏仁体等边缘前脑结构存在着联系。毁损大鼠的内侧伏隔核神经元，可导致NREM睡眠总量减少、频率降低及REM睡眠增加。基底神经节、前脑皮质、边缘系统内相关区域参与NREM睡眠发生和维持机制目前还不清楚，有待进一步研究和证实。
总之，NREM睡眠发生系统主要脑区为VLPO和基底前脑、视前区、丘脑的脑区的GABA和Galanin神经元。但NREM睡眠发生系统尚未最后真正确定，最新的研究提示，GABA能神经元也局限分布于脑干网状结构中。睡眠期的GABA能神经元被选择性活化，进而抑制促觉醒系统的神经元。例如，尾侧延髓网状结构的GABA能神经元及甘氨酸能神经元在REM睡眠期放电活跃，其神经纤维投射到脊髓，抑制脊髓运动神经元。脑干GABA神经元亦在一定程度上参与NREM睡眠的发生。
如上所述，各脑区的GABA被视为主要的促进NREM睡眠发生的递质受体系统，因而，GABA受体成为镇静、催眠和麻醉的主要靶标。常用的催眠药和麻醉药可作用于GABA A 受体，增加氯离子通道的开放，产生抑制性突触后电位，抑制觉醒系统的ACh能、NA能神经元；或者作用于GABA B 受体（G蛋白偶联受体），与K + 通道相偶联，在突触后膜上通过促进钾离子外流而实现突触后抑制，从而诱发睡眠。
REM睡眠启动的关键部位在脑干，尤其是脑桥和中脑附近的区域。通过微电极记录神经元的电位活动，在这些区域鉴定出两类神经元：一类神经元的电位活动在觉醒期间保持静止，而在REM睡眠之前和REM睡眠期间明显增加，称为REM睡眠启动（REM-on）神经元；另一类神经元则恰好相反，在觉醒期间发放频率较高，在NREM睡眠中逐渐减少，而在REM睡眠中保持静止，称为REM睡眠关闭（REM-off）神经元。
REM-on神经元主要是ACh能神经元，分布在脑桥-中脑连接部位的LDT、PPT。另外，peri-LCα谷氨酸能神经元近年亦被认为是REM-on神经元。REM-on神经元不仅对REM睡眠有“启动”作用，引起脑电的去同步化快波，诱发脑桥-膝状体-枕叶波（ponto-geniculo-occipital，PGO）和快速眼球运动，而且还能通过传出纤维兴奋延髓巨细胞核，后者经腹外侧网状脊髓束兴奋脊髓的抑制性神经元，引起四肢肌肉松弛和肌电的完全静寂。REM-off神经元主要是5-HT能、NA能神经元，胞体位于脑干（如DRN、LC），神经纤维向大脑内广泛投射。
现在推测，脑干REM-off神经元和REM-on神经元之间的交互作用模型可能调节了REM睡眠的发生和维持。该学说认为，REM-off神经元对REMon神经元起着抑制作用，而REM-on神经元对REM-off神经元起着兴奋作用。但这个模型仅提出了REM睡眠产生的大概机制，仍不能清楚阐明REM睡眠启动和维持详细机制。
综上所述，在REM睡眠的发生和维持机制，以及REM睡眠与NREM睡眠、REM睡眠和觉醒状态的相互转化过程中，GABA、胆碱能REM-on神经元和NA、5-HT能REM-off神经元起着十分关键的作用。它们之间存在着相互的纤维联系，彼此影响，构成了一个复杂的网络整体结构。
觉醒与睡眠的周期转换除了涉及上述觉醒发生系统和睡眠发生系统外，也与脑内其他调节机制的作用有关，这些机制主要包括昼夜节律调节机制和睡眠稳态调节机制。
大量研究揭示，从低等生物到人类都存在昼夜节律起搏器。昼夜节律起搏器的节律性具有内源性的特点，能够独立于外界环境周期而自身维持，其周期接近24小时，有生物钟（biological clock）之称，其位相能够受环境信号调节或者重新设定。哺乳动物昼夜节律系统主要集中在中枢神经系统内的某一特定脑区。通过许多睡眠与觉醒周期紊乱患者的病例研究及一些动物的损毁和移植实验，现已明确，昼夜节律过程主要发生于下丘脑前区的SCN及其邻近结构，如室旁核（paraventricular hypothalamic nucleus，PVH）、SPZ和下丘脑内侧核，这些核团的传入、传出通路构成了哺乳动物最主要的昼夜节律中枢。SCN是哺乳动物最重要的昼夜节律中枢，它参与控制睡眠与觉醒周期等多种节律性活动。昼夜节律信号可从SCN传到多个睡眠与觉醒脑区，进而调控睡眠阶段的位相转换及睡眠与觉醒位相的转换。
哺乳动物睡眠的另一个特征就是其稳态调节。睡眠稳态过程是指在觉醒期，睡眠压力会逐渐增加，产生睡眠负债，为了调节睡眠负债状态，机体会主动进入睡眠状态。睡眠稳态是机体所需要的，它依赖于之前的睡眠与觉醒时间。也就是说，睡眠债在觉醒时增加，在睡眠时消失，从而保持机体处于稳定状态。这种调节保持着睡眠的数量和深度同之前的觉醒之间的平衡，之前的睡眠缺失可以通过延长以后的睡眠来部分补偿，也可通过慢波活动的强化来补偿。此外，睡眠稳态对NREM睡眠和REM睡眠的影响被认为是不同的，睡眠剥夺后增加的主要是睡眠时间而非睡眠深度，而且主要集中在NREM睡眠，而REM睡眠时间的延长主要发生在睡眠时间总体延长的情况下。
对睡眠稳态调节机制认识有一个不断提高的过程。最初认为睡眠稳态调节机制与脑能量代谢有关。在觉醒和睡眠周期的交替过程中，伴有脑内能量代谢活动的显著变化。目前观点认为，睡眠稳态调节机制主要涉及内源性睡眠相关物质及睡眠稳态的局部调节。