Neurônios permanecem ativos durante todo o sono, embora seus padrões de disparo diferem marcadamente da vigília. O sono cicla através de estágios distintos — sono de movimento rápido dos olhos (REM) e sono não-REM — cada um com perfis únicos de atividade neural.
O sono REM apresenta sonhos vívidos, movimentos oculares rápidos e atividade cerebral semelhante à vigília. A atividade neural dispara em regiões ligadas à emoção, memória e processamento visual, explicando a qualidade emocional e narrativa dos sonhos e seu papel na consolidação da memória.
O sono não-REM compreende três estágios (N1, N2, N3) caracterizados por ondas cerebrais progressivamente mais lentas e redução geral da atividade neural em comparação ao REM.
Embora a atividade cerebral global diminua durante o sono, a atividade neural específica de regiões persiste, apoiando funções essenciais como consolidação da memória, regulação emocional e restauração de recursos neurais.