我們睡著時，大腦裡發生了什麼事？如果用觀察電流活動或特定神經元架構是否啟動的技術檢視大腦，會發現大腦在我們休息時，既沒有運作也沒有閒著。不論醒著、睡著，或在睡眠的哪一階段，大腦中各個不同的部位都在此起彼落地啟動、抑制，彷彿跳舞般地維持平衡。例如，我們睡著後，腦中位於下視丘前面、名為腹外側視前區（VLPO）神經核的區域，會變得更為活躍。這樣一來，腦中涉及讓意識清醒的區域，例如與上升性網狀賦活系統（ARAS）有關的區域，會受到抑制。醒來時發生的事情正好相反：與ARAS有關的區域受到活化，抑制與睡眠相關的區域（例如VLPO）。
至於大腦各區域如何造成我們入睡和清醒，是透過釋放名為神經傳遞質的化學訊息傳遞物質加以管理。腦中控制切換睡眠或清醒狀態的區域（例如VLPO）釋放神經傳遞質，包括γ－氨基丁酸，簡稱為GABA，是一種具抑制性的神經傳遞質，可以中斷有益清醒的神經傳遞質，幫助我們小瞇一會兒。相對地，與清醒有關的腦部區域（例如與ARAS有關的區域）會釋放食欲素、乙醯膽鹼、組織胺、多巴胺、去甲基腎上腺素、血清素，將訊息傳遞到大腦皮質中，讓我們保持清醒。這個複雜細微的機制，基本上就是大腦中發生的事情。
為什麼睡覺？
即使是最聰明的科學家，在探討我們為什麼睡覺一事上，仍然意見相左―但大家都同意，睡覺非常重要。芝加哥大學榮譽教授艾倫．列芬說得好：「如果睡眠沒有重要功能，它就是演化上最大的錯誤。」所以，我們為什麼睡覺？
一九八○年代，列芬試著解開這個謎團，嘗試不讓動物睡覺等方法。他把老鼠放在水塘的碟片上，強迫老鼠保持清醒；如果牠們有要睡覺的跡象，就轉動碟片。就像我們在機場要保持清醒才能走下輸送帶一樣，這些老鼠也要保持清醒才能留在旋轉的碟片上。如果碟片轉動而牠們沒有跟著走動，就會掉進水裡。缺乏睡眠過久，會造成各種生理變化，例如體溫調節失常，提供線索讓我們知道在日常生活中，哪些事情是睡眠可能協助「維持正常」的。
人們也很快發現，生命本身不容許不睡覺的狀態；兩三週沒睡的老鼠會死亡。為了區分不同類型睡眠的重要性，科學研究團隊進行了其他實驗，只讓老鼠缺乏REM睡眠類型，但相對地享有NREM睡眠類型的益處。老鼠再次很快就死亡，但是這一次，多數老鼠都得以存活較長時間，約四到六週。老鼠不睡覺就無法存活，人類是不是也一樣？
這個問題，問很容易，回答很難。幸好，世上沒有哪個道德委員會會准許以剝奪受試者睡眠、直到他們生病或嚴重受創為目的的實驗。儘管如此，我們還是可以參考自然發生的不睡覺現象。比較戲劇性的例子就是飽受「致死性家族性失眠症」（FFI）這種罕見遺傳性疾病所苦的病人。患者無法入睡，平均而言，在症狀發展約十八個月後死亡。這種異常是普里昂蛋白疾病的例子之一，就是不正常的蛋白質累積在腦部造成傷害。FFI會攻擊視丘，視丘是腦中控制睡眠與清醒週期的重要部分。有這種異常的人，睡眠模式也異於常人，包括睡眠時間縮短、睡眠階段混亂與惡化，最後造成完全無法睡覺。雖然這種病綜合不睡覺和死亡，有時讓人覺得是前者是因、後者是果，但我們不應該憑感覺就下定論。這種讓人絕望、退化的疾病還有其他特徵，也可能造成死亡。FFI的症狀不只有失眠，還有失智、語言能力障礙、吞嚥困難、體溫調節障礙等等。
