Наступление сна и его отдельных стадий связано с деятельностью сложной сети нервных структур, которая функционирует с помощью различных нейромедиаторных систем.
Активность структур головного мозга, использующих в качестве нейромедиатора серотонин, оказывает значительное влияние на возникновение и поддержание сна без БДГ, а также определяет переход к сну с БДГ. Другая, адренергическая система, состоящая из нейронов, продуцирующих адреналиноподобные вещества норадреналин и дофамин, инициирует, как полагают, тонический и фазовый компоненты сна с БДГ. Тонический компонент, выявляемый на ЭМГ как снижение параметров мышечной активности, включает расслабление лицевых мышц, а к фазовому компоненту относятся перемежающиеся вспышки быстрых движений глаз.
Во время сна содержание кортикостероидов (гормонов надпочечников) в крови и моче повышается, достигая пика во второй половине ночи, когда преобладает сон с БДГ. Выявляется также тесная связь между 24-часовым циклом сна-бодрствования и секрецией некоторых гормонов гипоталамо-гипофизарной системы (гипоталамус и гипофиз – структуры мозга, расположенные у его основания). Существенно, что эти гормоны регулируются теми же биогенными аминами (серотонином, норадреналином, дофамином), что и нейронные механизмы, ответственные за сон с БДГ или без БДГ. Гормон роста секретируется в течение первых двух часов сна, преимущественно во время 3-й и 4-й стадий. Содержание пролактина (как у мужчин, так и у женщин) достигает пика в последние один-два часа сна.
Секреция лютеинизирующего гормона (ЛГ) и фолликулостимулирующего гормона (ФСГ) в разные фазы сна меняется с возрастом. До половой зрелости уровень ЛГ у детей остается в течение суток неизменным, тогда как после наступления половой зрелости периодическая секреция ЛГ происходит лишь во время сна, а не в период бодрствования. У взрослых мужчин как ЛГ, так и ФСГ секретируются на протяжении суток периодически с некоторым увеличением уровня ЛГ к концу сна, когда доминирует сон с БДГ.