科学家认为睡眠是细胞从诞生至今固有的自然属性,但是并没有解释清楚睡眠时,身体发生了什么变化。在这方面,有许多理论。 一个是睡眠节约大脑的能量,根据《睡眠医学评论》,在非快速眼动睡眠期间,大脑消耗的葡萄糖大约只有一个人清醒时的一半。但是,如果睡眠节约大脑能量的想法是正确的,那么睡眠与大脑能量使用之间的关系并不简单。例如,缺乏睡眠时,大脑中对能量的消耗并不是平均的,而是在某些部位增加,在某些部分减少。 另一个理论认为,睡眠可以让大脑清除清醒时产生的有毒物质。大脑消耗身体能量的巨大消耗者,这意味着它也产生大量的废物。最近的一些研究表明,睡眠是大脑自行清洁的时间。 还有理论认为,睡眠在大脑的连通性和可塑性中起着重要的作用。可塑性与学习记忆有关。尽管目前还不清楚到底是怎么回事,但是大量证据表明,失眠会导致记忆问题,特别是工作记忆。
睡眠影响大脑内的突触建立,以及神经元之间的联系建立。研究表明,当动物学会一项新技能时,他们大脑中的神经元会在下一次睡眠中加强相关的突出连接,这意味着良好的睡眠有助于学习和巩固新技能。在研究人员将一个目标放在动物的一只眼睛上,与该眼睛相关的视觉信息的大脑回路在几小时内减弱。然而,“快速眼动”阶段睡眠增强了这种回路,甚至大脑还模拟了另外一只眼睛相关的视觉信息。
现在,研究人员发现脑细胞中包含一些神经胶质细胞,其字面意思是“胶水”,一度被认为是非常惰性的,但最近发现其具有多种功能。神经胶质细胞的数量比神经元高出三倍。神经胶质细胞可以控制整个脑部的脑脊液流动,睡眠期间,这可能就是大脑能将代谢废物清除的关键。