Svefninn er flókið lífeðlisfræðilegt fyrirbæri. Áður fyrr var talið að heilinn væri í dvala meðan á svefni stendur. Nú er orðið ljóst að svo er ekki, þvert á móti virkjast fjölmargir hlutar heilans í svefni. 

Í undirstúku heilans er staðsettur svokallaður krossbrúarkjarni (e. suprachiasmatic nucleus (SCN)), þyrping af þúsundum frumna sem eru færar um að taka við upplýsingum og vinna úr þeim. Augun nema birtustig og senda þær upplýsingar til krossbrúarkjarnans sem ákveður þá hvort það er nótt eða dagur og aðlagar dægursveiflu okkar að því. Krossbrúarkjarninn sendir síðan boð til heilaköngulsins, sem staðsettur er milli heilahvelanna tveggja. Heilaköngullinn tekur þá að framleiða melatónín, hormón sem er framleitt  þegar tekur að rökkva og gerir líkamanum viðvart um að kominn sé tími á svefn.  

Undirstúkan á síðan samskipti við þann hluta heilans sem kallast heilastofn, en hann stjórnar umbreytingunni úr vökuástandi yfir í svefnástand, eða öfugt, með framleiðslu á taugaboðefninu GABA (gamma-aminobutyric acid ). GABA hefur hamlandi áhrif á taugakerfið og dregur úr virkni árveknistöðva heilans. Heilastofninn sér einnig um að senda boð um að „lama“ vöðva líkamans meðan á REM-svefni stendur, til að koma í veg fyrir að draumar séu leiknir eftir. 

Framheilinn sér einnig um að stýra svefni og vöku, en til þess notast hann við boðefnið adenósín. Meðan á vöku stendur, safnast stöðugt upp meira adenósín, en það eykur svefnþörf. Að lokum verður svefninn óhjákvæmilegur. Hins vegar má blekkja móttökustöðvar heilans, og þar með slá tímabundið á þessa svefnþörf, með neyslu koffíns. Koffín binst við sömu móttökustöðvar og adenósín, og kemur þannig í veg fyrir að adenósínið geti sent boð um uppsafnaða þreytu.   

Aftari hluti heilastúku er eins konar boðberi milli tauga og heilabarkar, sem er sá hluti heilans sem túlkar og vinnur úr upplýsingum út frá minni. Heilastúkan er í nokkurs konar dvala stærstan hluta svefnsins, en á REM-stigi virkjast hún og tekur að senda heilaberkinum alls kyns upplýsingar sem koma fram í draumum. Mandlan, sá hluti heilans sem annast úrvinnslu tilfinninga, er einnig mjög virk í REM-svefni. Því má ætla að REM-svefn sé ansi mikilvægur, bæði fyrir minni og tilfinningalíf.