Tidur merupakan aktivitas dari area tertentu di otak yang menyebabkan tidur, daripada masukan sensorik yang menurun di korteks serebri. Stimulasi pada area ini akan menghasilkan tidur, sebaliknya kerusakan akan mengakibatkan gangguan tidur.

Siklus tidur-bangun dikontrol oleh aktivitas neuron di dalam sistem reticular activating system (RAS). RAS terdiri dari sistem retikularis batang otak, posterior hipotalamus dan basal otak depan. Mekanisme tidur-bangun ini sesungguhnya belum diketahui secara pasti. Aktivitas neuron di pons, mid brain, dan posterior hipotalamus penting untuk keadaan bangun. Sedangkan aktivitas di medulla sangat penting untuk stimulasi keadaan tidur. Siklus tidur-bangun ini mungkin terintegrasi di basal otak depan.

Terdapat pula mekanisme spesifik otak, yang dapat membangkitkan tidur nonREM dan tidur REM. Lesi di anterior hipotalamus dan area yang berdekatan dengan otak depan (basal otak depan) akan mengakibatkan insomnia yang berkepanjangan. Sebaliknya stimulasi kimia atau elektrik di basal otak depan akan menghasilkan tidur nonREM. Aktivitas neuron di area ini maksimal selama tidur nonREM, dan sangat kurang selama tidur REM dan keadaan bangun. Area lain yang diduga sebagai regulator tidur nonREM adalah nukleus traktus solitarius.

Lateral pons dan area retikularis di medial medulla merupakan area yang sangat aktive selama periode tidur REM dan sangat kurang active pada tidur nonREM. Sel-sel neuron di medula yang mengontrol tidur REM, diduga berpengaruh supresi terhadap tonus otot pada waktu tidur REM, yaitu melalui aktivasi neuron di batang otak dan inhibisi motorneuron di medula spinalis.

Secara farmakologik, kini sudah ada bukti bahwa tidur nonREM sangat berhubungan dengan mekanisme serotoninergik dan tidur REM dipengaruhi oleh mekanisme adrenergik. Sebagai contoh, pemberian serotonin dapat mengurangi latensi mula tidur secara bermakna, sebaliknya kerusakan area serotonin di pons akan menyebabkan insomnia. Injeksi asetilkolin ke dalam pons akan menimbulkan tidur REM. Sistem katekolamin (noradrenalin dan dopamine) juga mempunyai peran penting pada keadaan bangun dan tidur REM. Konsentrasi norepineprin dan serotonin di korkteks mencapai puncak pada waktu bangun, terendah dalam tidur REM dan intermediet pada tidur nonREM. Sebaliknya neuron kolinergik melepaskan asetilkolin dengan kadar yang tinggi pada tidur REM dan waktu bangun; dan terendah pada waktu tidur nonREM