Várias estruturas dentro do cérebro estão envolvidas com o sono.
Hipotálamo
O hipotálamo, uma estrutura do tamanho de um amendoim no fundo do cérebro, contém grupos de células nervosas que atuam como centros de controle que afetam o sono e a vigília. Dentro do hipotálamo está o núcleo supraquiasmático (NSQ) – aglomerados de milhares de células que recebem informações sobre a exposição à luz diretamente dos olhos e controlam seu ciclo circadiano.
Algumas pessoas com danos no NSQ dormem de forma irregular ao longo do dia porque não conseguem combinar seus ritmos circadianos com o ciclo claro-escuro. A maioria das pessoas com cegueira mantém alguma capacidade de perceber a luz e são capazes de modificar seu ciclo de sono/vigília.
Tronco Cerebral
O tronco cerebral, na base do cérebro, comunica-se com o hipotálamo para controlar as transições entre a vigília e o sono. O tronco cerebral inclui estruturas chamadas de bulbo, ponte e mesencéfalo. As células promotoras do sono dentro do hipotálamo e do tronco cerebral produzem uma substância química do cérebro chamada GABA , que age para reduzir a atividade dos centros de excitação no hipotálamo e no tronco cerebral . O tronco cerebral (especialmente a ponte e o bulbo) também desempenha um papel especial no sono REM: ele envia sinais para relaxar os músculos essenciais para a postura corporal e os movimentos dos membros.
Tálamo
O tálamo atua como um retransmissor de informações dos sentidos para o córtex cerebral (a cobertura do cérebro que interpreta e processa informações). Durante a maioria dos estágios do sono, a atividade do tálamo fica suprimida, permitindo que você se desligue do mundo externo. Mas durante o sono REM, o tálamo está ativo, enviando ao córtex imagens, sons e outras sensações que preenchem nossos sonhos.
Glândula Pineal
A glândula pineal, localizada praticamente no meio do cérebro, recebe sinais do NSQ e aumenta a produção do hormônio melatonina , que ajuda a adormecer quando as luzes se apagam. As pessoas que perderam a visão e não conseguem coordenar seu ciclo natural de vigília-sono usando luz natural podem estabilizar seus padrões de sono tomando pequenas quantidades de melatonina no mesmo horário todos os dias. A flutuação dos níveis de melatonina ao longo do tempo são importantes para combinar o ritmo circadiano do corpo com o ciclo externo de luz e escuridão.
Prosencéfalo Basal
O prosencéfalo basal, próximo à parte frontal e inferior do cérebro, também atua no sono e a vigília, enquanto parte do mesencéfalo atua como um sistema de excitação. A liberação de adenosina (um subproduto químico do consumo de energia celular) das células do prosencéfalo basal inibe a vigília e promove o sono. A cafeína neutraliza a sonolência bloqueando as ações da adenosina.
Amígdala