Il sonno è un comportamento generato da meccanismi localizzati nel sistema nervoso centrale. I centri nervosi che sono ritenuti principali responsabili delle manifestazioni fisiologiche del sonno, sono collocati nel diencefalo e nel tronco dell'encefalo, strutture che costituiscono le porzioni più profonde e, dal punto di vista evolutivo, più antiche dell'encefalo (fig. 1).

Fig. 1: Schema dell'encefalo in cui sono indicati: a) la parte  rostrale (IR) e quella caudale (IC)  dell'ipotalamo, struttura situata alla base della parte dell’encefalo detta diencefalo, b) la parte dorsale del tronco dell'encefalo (TED) e la sostanza reticolare attivante (SRA), che è collocata nel tronco dell'encefalo e si continua nell'ipotalamo caudale. (Credit: G.Tononi, C.Cirelli. Sonno. In "Fisiologia Medica". Edi. Ermes., 2005.)

È noto da tempo che nell'uomo la sonnolenza e l'insonnia possono essere causate da lesioni rispettivamente delle parti caudali (IC) e rostrali (IR) dell'ipotalamo, come fu osservato da von Economo in pazienti colpiti da encefalite in conseguenza della pandemia influenzale detta "Spagnola".

D'altra parte, i fenomeni motori caratteristici del sonno REM, come l'ipotonia muscolare, le brusche contrazioni muscolari (mioclonie) e i movimenti rapidi degli occhi dipendono dall'attività di centri nervosi situati nella parte dorsale del tronco dell'encefalo (TED).

La condizione di veglia è invece favorita dall'attività di diversi centri nervosi distribuiti lungo il tronco dell'encefalo, in una struttura definita sostanza reticolare attivante (SRA), che si prolunga in alto fino a raggiungere l'ipotalamo caudale (IC).