E' evidente che non vi è una singola specifica area del sistema nervoso che controlla tutte le manifestazioni degli stati di veglia, sonno REM e sonno NREM, anche se la maggior parte dei meccanismi che determinano i vari stati dipendono da alcune regioni del tronco, in particolar modo del ponte, e dal proencefalo basale. A grandi linee, i generatori della veglia sono localizzati diffusamente nel tronco, soprattutto a livello del sistema reticolare attivatorio, quelli del sonno NREM nel bulbo e nel proencefalo basale, quelli del sonno REM nel ponte. In realtà però la determinazione dello stato è il risultato di complesse interazioni tra molteplici reti neuronali e neurotrasmettitori che coinvolgono vari livelli del nevrasse. Il fatto che nessuna parte del SNC sia responsabile della comparsa di uno specifico stato di sonno è stato messo in rilievo da studi effettuati su animali: ogni stadio del sonno, inibito da una lesione non letale, tende a ricomparire.Vi sono ampie prove dell'esistenza di una estensiva riorganizzazione dell'attività del SNC durante il sonno. Quasi tutte le parti del sistema nervoso sono attive in tutti e tre gli stati, ma sono attive in modi diversi.La deafferentazione sensoriale è spesso considerata un prerequisito del sonno. Durante il sonno NREM il talamo cambia la propria modalità funzionale da -relé‖, in cui permette alle informazioni sensoriali di giungere agli emisferi, a -oscillatoria‖, in cui impedisce la trasmissione dell'informazione sensoriale. Il nucleo reticolare talamico è responsabile della generazione dei fusi del sonno NREM, mentre le onde lente del sonno più profondo (stadio 3) sono generate dalla corteccia.Durante il sonno REM, il talamo opera in modalità -relé‖, proprio come nella veglia.L'informazione è trasmessa con la stessa accuratezza della veglia, ma non è avvertita dalla corteccia. Ciò può essere dovuto a modificazioni della funzione corticale che riflettono una riduzione delle influenze originate nel Locus Coeruleus e nei nuclei del Rafe durante il sonno REM. Durante la veglia il pensiero è logico e viene memorizzato, durante il sonno REM il pensiero è bizzarro e spesso non viene ricordato.Esistono sorprendenti analogie tra la veglia e il sonno REM. Il sistema reticolare ascendente del tronco potenzia le risposte talamiche e corticali di entrambe gli stati.Anche se il tracciato EEG è definito desincronizzato, è stato dimostrato che, durante gli stati attivi dell'encefalo (veglia e REM), l'attivazione della formazione reticolare mesencefalica facilita l'attività oscillatoria nella banda di frequenza gamma (> 30 Hz); ciò determina un aumento della sincronizzazione delle risposte corticali che possono svolgere un ruolo nell'elaborazione dei segnali sensoriali [Steriade, 1990], [Chokroverty, 1999].