Neurotransmittorer och sömn är relaterade till varandra genom att neurotransmittorer är ansvariga för huvuddelen av moduleringen av hjärnaktivitet; sömncykeln i ett biologiskt fenomen som har visat sig påverkas djupt av signalsubstansmodulering. Frigörandet av vissa signalsubstanser och sömncykelfunktionen bildar ett kontinuum för vilket alla stadier av sömn, som det skede då en person först inte svarar på stimuli och det stadium där drömmar upplevs, kan ske under en löst förutbestämd tid eller fas av hjärnans aktivitet. Vissa neurotransmittorer, som gamma-aminosmörsyra (GABA), anses klassiskt underlätta sömnen, medan andra, som noradrenalin (NE), visar förmågan att underlätta upphetsning. Vissa transmittorer, som acetylkolin (Ach), spelar en viktig roll under båda faserna av medvetandet. Banbrytande sömnforskning tyder på att andra neurotransmittorer kan utföra tidigare okända och olika funktioner, som Ach, längs hela kontinuumet av sömnstadiets upplevelse.
Excitatoriska neurotransmittorer som NE, serotonin (5-HT) och histamin frisätts från sina respektive neuroner under vakenhet. Dessa signalsubstanser frigörs från många delar av hjärnan som locus ceruleus och posterior och främre hypotalamus. Rollen av neurotransmittorer och sömninitiering börjar när undertryckandet av GABA och en annan hämmande signalsubstans, galanin, båda frigörs från den ventrala laterala preoptiska kärnan (VLPO), upphävs. Det är vid denna tidpunkt som moduleringen av hjärnaktivitet växlar mot avslappning och förlust av fokus istället för kognition och koncentration. Denna taktförändring initierar att andra sömnbefrämjande kemikalier som melatonin frigörs från tallkottkörteln och den sömninducerande, metaboliska biprodukten adenosin att börja ackumuleras i framhjärnan.
Dessa hämmande signalsubstanser och sömnsignaler från VLPO i form av olika kemiska och hormonella budbärare ackumuleras och börjar fästa lätt vid alla öppna receptorställen, vilket startar den biologiska kaskaden som leder till kognitiv och kroppslig vila. Adenosin verkar spela en viktig roll för när hjärnan faktiskt ”växlar” från ett tillstånd till ett annat. Som nämnts är kemikalien en naturlig biprodukt av metabolisk verkan och produceras under det vakna tillståndet när man rör sig, pratar och äter. Kroppen blir trött eftersom adenosin ackumuleras när den utför vakna rörelser och börjar åsidosätta vakna begär med sina sömnframkallande egenskaper. Människor som av misstag ”nickar bort” eller inte kan hålla sig vakna har ofta ett överflöd av adenosinackumulering.
Efter att personen har slappnat av helt, fortsätter signalsubstanser och sömnsignaler att dämpa hjärnaktiviteten. GABA, galanin och andra avslappnande kemikalier produceras kontinuerligt för att hålla kroppen och hjärnan sova. Under denna tid kan andra avfallsmaterial som ackumulerats under uppvakningscykeln transporteras och avlägsnas från hjärnan, vilket främjar en känsla av uppfriskande och välbefinnande när du vaknar. Snabba ögonrörelser, eller REM, sömnstadiet där en person drömmer, underlättas av frisättningen av små mängder excitatoriska neurotransmittorer. Ökningen av dessa signalsubstanser och sömnsignalen minskar så småningom väcker personen och cykeln börjar igen.