早期的生理心理学家巴甫洛夫认为：睡眠就是大脑皮层神经活动停止，也即所谓抑制。梦是大脑皮层神经活动停止时，偶尔出现的残余活动，也即兴奋。如果我们把清醒状态下的大脑皮层比作一个燃烧着的火堆，那么按巴甫洛夫的观点，睡眠就是这堆火熄灭了，而梦就是在木炭灰烬中偶尔亮起来的火星。
近几十年来，通过对睡眠的生理机制的研究，人们知道巴甫洛夫的观点是不准确的。睡眠不是觉醒状态的终结，不是神经活动的停止或休息，而是中枢神经系统中另一种形式的活动，是一个主动的过程。
脑具有一种负责清醒——睡眠转换的中枢，即网状系统。这是脑干中一群弥散的神经核团，当它受到刺激时会使熟睡者醒过来。而当实验者破坏了实验动物的网状系统时，这个动物就会从此“一睡不醒”。
网状系统的活动受到来自上下两方面的神经冲动的影响。上方，大脑皮层的活动会影响它，因此思虑过多忧心忡忡的人会失眠。下方，来自感觉器官的神经冲动影响它，因此嘈杂的声音也会干扰人们的睡眠。除此之外，网状系统的活动还受到两个神经中枢的控制，一个叫中缝核，另一个叫蓝斑。中缝核可导致慢波睡眠。蓝斑则导致快波睡眠，从而与梦有关系。蓝斑产生的神经兴奋，主要通过脑的视神经束。也许，这和人在梦中所见到的景象有关。另外，蓝斑可能也起着在睡眠中抑制躯体运动的作用。
研究脑生化的科学家发现，中缝核产生的神经递质主要是5-羟色胺。在电损毁动物中缝核前部后，脑中5-羟色胺含量大减，同时，动物的慢波睡眠也明显减少。如果把5-羟色胺直接注射到动物的中缝核，则动物的慢波睡眠延长，可见5-羟色胺和慢波睡眠有关。
蓝斑区域可产生去甲肾上腺素，它与快波睡眠有关。在损毁动物蓝斑中后部时，去甲肾上腺素减少。同时，快波睡眠也减少。
去甲肾上腺素不仅与快波睡波有关，与觉醒状态的维持也有关。当脑内去甲肾上腺素含量增加时，实验中的动物会从睡梦中醒来。
由生化的研究，似乎可以引向这样一种推测，快波睡眠和觉醒有相似之处。当然，快波睡眠和觉醒绝不是一回事，首先就是快波睡眠时运动是被抑制的。但是，和慢波睡眠相比，它和觉醒状态在表现上共性还是稍多一些。它也有较多的心理活动。
对睡眠，特别是与梦有关的快波睡眠的生理层面的研究，使我们对梦的作用有了一定的理解。如果用药物或其他技术抑制快波睡眠，被试者的注意、学习记忆功能就会受到损害，同时，情绪会变得焦虑、愤怒，并造成处理人际关系能力下降。由此提示，梦对改善学习与记忆，对改善情绪和社会能力可能有作用。
还有一些研究也发现，快波睡眠和梦可能与新信息的编码有关。一些没有见到过的新形象在梦里得到“复习”和“整理”，然后存入长时记忆库中去。根据这种假说，婴儿每天见到的新东西多，所以就需要多做梦，老年人难得会见到什么新东西，因此就不必多做梦。实际上，婴儿快波睡眠的时间占总睡眠时间的比例也确实远大于老年人。实验也发现，在环境丰富的条件下饲养的大白鼠快波睡眠的总时间和百分比都比其他大白鼠更长更多。由此提示，至少“复习整理新形象和新知识”是梦的作用之一。