Uyuduğumuz anda beyin etkinliği ve kimyasında meydana gelen bir değişim rüya benzeri bir zihinsel etkinlikle paralel olarak gerçekleşmeye başlıyor. Bilinç zaten uykunun daha başlangıcında değişmeye başlıyor. Uyku derinleştikçe, serebral enerji metabolizması ve kan akışına bağlı sinirsel etkinlik azalmaya başlıyor, özellikle uykunun en derin evresi olan non-REM uykusunda. Bu derin evrelerde beyin bölgeleri arasındaki bağlantı azaltılır ve yerel bağlantılar daha etkin kalır. Genel anestezi uygulanan insanların yaşadığı durum da aslında buna benzer. Tüm dış duyular kapatılır ve farkındalık çok düşük seviyelere çekilir. Uzun mesafeli bağlantılar bilgileri birleştirmek ve beyin alanları arasında iletişimi sağlamak içindir.
Derin uyku halinden çıkarken beyin dalgaları da değişmeye başlar ve gittikçe uyanık haldeki beyin dalgalarımıza benzer. Uykunun rüya görüldüğü kısım olan ve uykunun yaklaşık 3'te birini kapsayan bu evreye REM uykusu denir. Uykunun 4 evresinden ikisi oluşturan derin uyku evrelerinden çıkarken beynin tüm bölgeleri tekrar etkinleştirilmez. Bu yüzden derin uykudan REM uykusuna geçişte beynin bölgelerine seçici bir etkinleştirme uygulanır. Beyin bölgelerinin tekrar etkin hale gelmesi kısa dönem otobiyografik hafızayı değiştirerek rüya görmeyi, rüyaların içeriğini etkiler. Örneğin, gün içinde duygusal bir olay tecrübe ettiysek REM uykusu sırasında limbik, paralimbik ve amigdala bölgelerimiz etkinleşir. REM uykusunda etkinleşen bir diğer bölge de mediyal prefrontal kortekstir. Korteksin bu bölümü yavaş uyku dalgalarından üretilmesinden sorumludur ve başkalarının davranışlarıyla ilgili düşündüğümüzde çok faal olan bir bölgedir.
Ayrıca, uyanık olduğumuzda beynin tüm nöromodülatör beyin sapı sistemleri etkin haldeyken, uyuduğumuz anda bunların bazıları etkisizleştirilir. Bilinen başlıca nöromodülatörlerden bazıları serotonin, norepinefrin, dopamin ve asetilkolindir. Bu nöromodülatörler bilişsel işlevleri, dikkati, ruh halini düzenleyen moleküllerdir. REM uykusuna geçtiğimizde norepinefrin ve serotonine ev sahipliği yapan iki sistem tamamen kapatılır. Bu durum beyin kimyasında değişikliğe sebep olarak zihnimizin REM uykusu esnasındaki bilgi işleme süreçlerini etkiler. Örneğin, locus coeruleus bölgesindeki nöronlar dikkatli olma ve karar verme süreçlerinde kilit rol oynarlar.
