Các sợi trục cholinergic đã được đánh dấu với sự hiện diện của nhiều cúc thần kinh trong mỗi sự phân nhánh của cấu trúc lồi não dưới (IC, hay còn gọi là gò não dưới). (A–C) các nhân trần cuống cầu não (PPT) với các sợi cholinergic biểu hiện protein mCherry trong (A) nhân xám trung tâm của vùng IC (ICc), (B) phần vỏ bên của lồi não dưới (IClc), (C) phần vỏ sau của lồi não dưới (ICd). (D–F) các sợi cholinergic của PPT biểu hiện protein EYFP trong (D) vùng ICc, (E) vùng IClc, (F) vùng ICd. Vạch trắng hình (F) ước lượng khoảng cách là 25 μm, và cũng áp dụng cho từ hình (A–F). (G) Mô phỏng các sợi cholinergic đánh dấu bằng EYFP trong cả vùng ICc và vùng IClc (phân chia qua đường đứt nét), bao gồm cả các sợi trục xuyên ranh giới (dấu hoa thị), nhằm cho các cúc tận cùng lên cả hai vùng này. Các nhân trần cuống cầu não này cho các nhánh đến đồi thị, thực hiện việc điều hòa chu kỳ ngủ - thức, và các sợi cholinergic được xem là các nơron "REM-on".[10]

Giấc ngủ cử động mắt nhanh (REM) hay còn gọi là ngủ nghịch thường, giấc ngủ không cử động mắt nhanh (NREM hay non-REM) hay còn gọi giấc ngủ sóng chậm (SWS), và trạng thái thức tỉnh chính là ba trạng thái phản ánh sự hoạt động của ý thức, cơ cấu thần kinh tâm thần, và quá trình cân bằng điều hòa sinh lý cơ thể.[11] Giấc ngủ NREM được phân thành nhiều giai đoạn – N1, N2 và N3. Giấc ngủ bắt đầu với giấc ngủ NREM trung bình kéo dài từ 70 đến 100 phút,[12]:13–23 và sau đó xuất hiện giấc ngủ REM với thời gian dài hơn khoảng chừng 90 đến 120 phút, luân phiên nhau theo chu kỳ thường theo thứ tự là N1 → N2 → N3 → N2 → REM. Khi con người rơi vào trạng thái ngủ, hoạt động chuyển hóa của cơ thể giảm xuống. Nhiệt độ cơ thể, nhịp tim, nhịp thở, và mức sử dụng năng lượng tất cả đều giảm. Sóng não trở thành sóng có biên độ cao, với tần số giảm dần tức là dao động chậm. Có sự giảm phóng thích acetylcholine, là chất dẫn truyền thần kinh kích thích trong não.[13] Khi ngủ, con người thực hiện bảo toàn nhiệt năng của cơ thể sao cho phù hợp với tác động của môi trường—chẳng hạn như là khi trời lạnh sẽ có xu hướng cuộn tròn lại. Các phản xạ gân xương vẫn còn hoàn toàn hoạt động.

Giấc ngủ REM được xem là "tiệm cận" với trạng thái thức, được đặc trưng bởi sự mất trương lực cơ và hiện tượng chuyển động mắt nhanh. NREM là giấc ngủ sâu (giai đoạn sâu nhất của NREM được gọi là giấc ngủ sóng chậm), mà trong đó không có các chuyển động mắt và các cơ đều bị tê liệt. Đặc biệt trong giấc ngủ non-REM, bộ não tiêu thụ năng lượng ít hơn so với lúc thức một cách đáng kể. Khi hoạt động ức chế điện thế diễn ra ở nhiều vùng não, điều này ám chỉ đang có sự tiến hành khôi phục lại adenosine triphosphate (ATP), phân tử được mệnh danh là đồng tiền năng lượng của tế bào, đóng vai trò vận chuyển năng lượng và là kho dự trữ ngắn hạn tạo thuận lợi cho quá trình tổng hợp chất dẫn truyền thần kinh diễn ra. (Bởi vì khi não bộ trong trạng thái thức tỉnh, nó "ngốn" tới 20% năng lượng cơ thể, thế nên sự "tụt dốc" này tác động đáng kể đến tổng thể năng lượng tiêu thụ căn bản một cách độc lập.)[14] Trong giấc ngủ sóng chậm, cơ thể con người bắt đầu xuất hiện những làn sóng phân tử protein GH (hormone sinh trưởng, chứa 191 acid amino và trọng lượng phân tử là 22.005) do thùy trước tuyến yên tiết ra, có tác dụng điều hòa trực tiếp chức năng chuyển hóa của toàn bộ cơ thể. Đối với prolactin, mọi dạng giấc ngủ ở bất cứ thời điểm nào ngay cả ban ngày đều gắn liền với sự giải phóng chất này.[15]

Theo lý thuyết phát động tổng hợp (activation-synthesis hypothesis) của Hobson và McCarley được đưa ra vào năm 1975–1977, sự thay phiên tuần tự giữa REM và non-REM đã tạo nên các chu kỳ của giấc ngủ, và rằng chúng tương hỗ qua lại lẫn nhau chi phối mạnh mẽ đến hệ thống các chất dẫn truyền thần kinh.[16] Thời gian ngủ được kiểm soát bởi đồng hồ sinh học, đặc biệt ở người với một mức độ nhất định khi đặt hành vi dưới sự kiểm soát của ý chí, đã có các cuộc thực nghiệm đã chứng minh rằng con chuột để có thể sinh tồn chúng sẽ sẵn sàng biến đổi nhịp sinh học của riêng nó. Giáo sư Fred Stephan đã tuyên bố rằng: "khi thức ăn và ánh sáng cạnh tranh nhau, thường là thức ăn sẽ thắng."[17]:294 Điều này có nghĩa rằng là, mặc dù con chuột có tập tính tìm kiếm thức ăn vào ban đêm, trong trường hợp thức ăn chỉ có vào ban ngày, chúng sẽ thay đổi nhịp sinh học để khai thác nguồn sống này. Đối với con chuột đói, cố nhiên nguy cơ chết đói sẽ cao hơn nhiều so với nguy cơ bị ăn thịt. Thuật ngữ circadian có nguồn gốc từ tiếng Latin circa, có nghĩa là "khoảng chừng" (hay "xấp xỉ"), và diem hay dies có nghĩa là "ngày." Đồng hồ sinh học được định nghĩa chính là tập hợp các cơ chế sinh học chi phối và điều hòa đến nhiều quá trình hóa sinh bên trong sinh thể với trật tự nhất định, và đồng hồ này có thể điều chỉnh được diễn ra trong vòng 24 giờ. Nhịp sinh học có thể quan sát rộng rãi được ở thực vật, động vật, nấm và vi khuẩn lam.[18][19][20]