Las principales estructuras nerviosas relacionadas con el dormir son la corteza cerebral, el tálamo, el hipotálamo y el tronco cerebral, a nivel del puente. Dentro de algunas de ellas, un núcleo, la formación reticular parece tener especial importancia.

La formación reticular del puente contiene grupos específicos de neuronas que, por una parte, reciben información sensorial y, por otra activan a la corteza cerebral por lo que aparecerían involucradas en diferentes formas de conducta. También grupos de neuronas de esa formación parecen modular a sistemas moduladores, como el locus ceruleus o el complejo rafé, que regulan la actividad de neuronas de la corteza.

Se ha demostrado que la formación reticular es necesaria para mantener el estado de vigilia (alerta). Así la destrucción de las neuronas reticulares del cerebro medio produce un estado similar al del sueño no-REM.

Otra región que participa en los estados del ciclo dormir-vigilia es el hipotálamo. Patologías o lesiones específicas en el hipotálamo posterior producen estados de sueños prolongados mientras que lesiones en el hipotálamo anterior, en la región preóptica, provocan supresión del sueño. Se ha podido precisar que el área preóptica centrolateral del hipotálamo tiene neuronas, aparentemente gabaérgicas que estarían relacionadas con la aparición del sueño no-REM.