Selbst wenn wir schlafen, arbeitet unser Hirn. Mehrere Gruppen von Nervenzellen müssen perfekt zusammenarbeiten, damit wir einschlafen. Die wichtigsten sind die Formatio reticularis, der Thalamus und der Hypothalamus.

Die Formatio reticularis ist ein Komplex aus grauer Substanz, der den ganzen Hirnstamm bis zum Rückenmark durchzieht. Diese ist unter anderem bekannt für ihre Funktion als „Signalgeber“ für Wachwerden. Wenn sensorische und kortikale (Seh- und Hörempfindungen) Impulse sie erreichen, versetzt sie den Organismus in einen Wachzustand. Sie hat also eine so genannte „Weck- und Aufmerksamkeitsfunktion“; bei ausbleibenden Impulsen sind die notwendigen Bedingungen für die Schlafeinleitung gegeben. Die Formatio reticularis erregt durch Botenstoffe den Thalamus, bekannt als „das Tor zum Bewusstsein“. Der Thalamus bildet den größten Teil des Zwischenhirns und hat viele Verbindungen zur Großhirnrinde, dem Ort des Bewusstseins. Er fungiert als Filter, denn er entscheidet, welche Informationen für den Organismus im Moment so wichtig sind, dass sie an die Großhirnrinde weitergeleitet werden sollen. Dazu gehört auch die Information „Zeit, schlafen zu gehen“. Hierzu wird er von der Formatio reticularis angeregt. Auch der Hypothalamus liegt im Zwischenhirn; er ist das wichtigste Steuersystem des Vegetativen Systems, d.h., der lebenswichtigen, unbewusst ablaufenden Körperfunktionen. Unter anderem bestimmt er die circadiane Rhythmik (all jene Prozesse im Organismus, die sich nach 24 Stunden wiederholen, von lat. circa dies = ungefähr ein Tag) und das Schlafbedürfnis, das sich unserer Kontrolle entzieht. Auch nach dem Einschlafen sind verschiedene Nervenzellverbände am Werk, um die Aufrechterhaltung und schließlich die Beendigung des Schlafes neurophysiologisch zu steuern.