早期的生理心理學家巴甫洛夫認為：睡眠就是大腦皮層神經活動停止，也即所謂抑製。夢是大腦皮層神經活動停止時，偶爾出現的殘餘活動，也即興奮。如果我們把清醒狀態下的大腦皮層比作一個燃燒著的火堆，那麼按巴甫洛夫的觀點，睡眠就是這堆火熄滅了，而夢就是在木炭灰燼中偶爾亮起來的火星。
近幾十年來，通過對睡眠的生理機製的研究，人們知道巴甫洛夫的觀點是不準確的。睡眠不是覺醒狀態的終結，不是神經活動的停止或休息，而是中樞神經係統中另一種形式的活動，是一個主動的過程。
腦具有一種負責清醒——睡眠轉換的中樞，即網狀係統。這是腦幹中一群彌散的神經核團，當它受到刺激時會使熟睡者醒過來。而當實驗者破壞了實驗動物的網狀係統時，這個動物就會從此“一睡不醒”。
網狀係統的活動受到來自上下兩方麵的神經衝動的影響。上方，大腦皮層的活動會影響它，因此思慮過多憂心忡忡的人會失眠。下方，來自感覺器官的神經衝動影響它，因此嘈雜的聲音也會幹擾人們的睡眠。除此之外，網狀係統的活動還受到兩個神經中樞的控製，一個叫中縫核，另一個叫藍斑。中縫核可導致慢波睡眠。藍斑則導致快波睡眠，從而與夢有關係。藍斑產生的神經興奮，主要通過腦的視神經束。也許，這和人在夢中所見到的景象有關。另外，藍斑可能也起著在睡眠中抑製軀體運動的作用。
研究腦生化的科學家發現，中縫核產生的神經遞質主要是5-羥色胺。在電損毀動物中縫核前部後，腦中5-羥色胺含量大減，同時，動物的慢波睡眠也明顯減少。如果把5-羥色胺直接注射到動物的中縫核，則動物的慢波睡眠延長，可見5-羥色胺和慢波睡眠有關。
藍斑區域可產生去甲腎上腺素，它與快波睡眠有關。在損毀動物藍斑中後部時，去甲腎上腺素減少。同時，快波睡眠也減少。
去甲腎上腺素不僅與快波睡波有關，與覺醒狀態的維持也有關。當腦內去甲腎上腺素含量增加時，實驗中的動物會從睡夢中醒來。
由生化的研究，似乎可以引向這樣一種推測，快波睡眠和覺醒有相似之處。當然，快波睡眠和覺醒絕不是一回事，首先就是快波睡眠時運動是被抑製的。但是，和慢波睡眠相比，它和覺醒狀態在表現上共性還是稍多一些。它也有較多的心理活動。
對睡眠，特別是與夢有關的快波睡眠的生理層麵的研究，使我們對夢的作用有了一定的理解。如果用藥物或其他技術抑製快波睡眠，被試者的注意、學習記憶功能就會受到損害，同時，情緒會變得焦慮、憤怒，並造成處理人際關係能力下降。由此提示，夢對改善學習與記憶，對改善情緒和社會能力可能有作用。
還有一些研究也發現，快波睡眠和夢可能與新信息的編碼有關。一些沒有見到過的新形象在夢裏得到“複習”和“整理”，然後存入長時記憶庫中去。根據這種假說，嬰兒每天見到的新東西多，所以就需要多做夢，老年人難得會見到什麼新東西，因此就不必多做夢。實際上，嬰兒快波睡眠的時間占總睡眠時間的比例也確實遠大於老年人。實驗也發現，在環境豐富的條件下飼養的大白鼠快波睡眠的總時間和百分比都比其他大白鼠更長更多。由此提示，至少“複習整理新形象和新知識”是夢的作用之一。