睡眠根據腦電圖、眼動圖變化分為二個時期，即非快眼動期（NREM）和快眼動期（REM）。非快眼動期時，肌張力降低，無明顯的眼球運動，腦電圖顯示慢而同步，此期被喚醒則感倦睡。快眼動期時肌張力明顯降低，出現快速水平眼球運動，腦電圖顯示與覺醒時類似的狀態，此期喚醒，意識清楚，無倦怠感，此期出現豐富多彩的夢。
研究發現腦干尾端與睡眠有非常重要的關系，被認為是睡眠中樞之所在。此部位各種刺激性病變引起過度睡眠，而破壞性病變引起睡眠減少。另外還發現睡眠時有中樞神經介質的參與，刺激5-羥色胺能神經元或注射5-羥色胺酸，可產生非快眼動期睡眠，而給5-羥色胺拮抗藥，產生睡眠減少。使用去甲腎上腺素拮抗藥，則快眼動期睡眠減少，而給去甲腎上腺素激動藥，快眼動期睡眠增多。