การเริ่มหลับคือการเปลี่ยนจากภาวะตื่นไปสู่การหลับโดยปกติแล้วการเริ่มหลับจะเข้าสู่ระยะหลับแบบไม่เคลื่อนไหวลูกตา (NREM sleep) แต่ในบางกรณี (เช่นโรคนอนหลับผิดปกติ ) อาจเปลี่ยนจากภาวะตื่นไปสู่ระยะหลับแบบเคลื่อนไหวลูกตา (REM sleep) ได้โดยตรง

ในช่วงทศวรรษ 1920 ความผิดปกติที่ไม่ชัดเจนซึ่งทำให้เกิดโรคไข้สมองอักเสบและโจมตีส่วนของสมองที่ควบคุมการนอนหลับได้ส่งผลกระทบต่อยุโรปและอเมริกาเหนือ แม้ว่าจะไม่เคยมีการระบุไวรัสที่ทำให้เกิดความผิดปกตินี้ แต่จิตแพทย์และนักประสาทวิทยาConstantin von Economoตัดสินใจที่จะศึกษาโรคนี้และระบุส่วนประกอบสำคัญในการควบคุมการนอนหลับและการตื่น เขาได้ระบุเส้นทางที่ควบคุมการตื่นและการเริ่มนอนหลับโดยการศึกษาส่วนต่างๆ ของสมองที่ได้รับผลกระทบจากโรคและผลที่ตามมาที่มีต่อจังหวะชีวภาพเขาได้กล่าวว่าเส้นทางที่ควบคุมการเริ่มนอนหลับตั้งอยู่ระหว่างก้านสมองและสมองส่วนหน้าฐานการค้นพบของเขาไม่ได้รับการยอมรับจนกระทั่งสองทศวรรษสุดท้ายของศตวรรษที่ 20 เมื่อพบว่าเส้นทางของการนอนหลับตั้งอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนที่ Constantin von Economo กล่าวไว้^{[ 1 ]}

การวัดทางสรีรวิทยาไฟฟ้าขณะนอนหลับสามารถทำได้โดยการติดอิเล็กโทรดที่หนังศีรษะเพื่อวัดคลื่นไฟฟ้าสมอง (EEG) และที่คางเพื่อตรวจสอบกิจกรรมของกล้ามเนื้อ ซึ่งบันทึกเป็นคลื่นไฟฟ้ากล้ามเนื้อ (EMG) อิเล็กโทรดที่ติดรอบดวงตาจะตรวจสอบการเคลื่อนไหวของดวงตา ซึ่งบันทึกเป็นคลื่นไฟฟ้าตา (EOG) ^{[ 2 ]}

จากการศึกษาของฟอน อีโคโนโม พบว่ารอยโรคในส่วนเชื่อมต่อระหว่างสมองส่วนกลางและไดเอนเซฟาลอนทำให้เกิดอาการง่วงนอนเป็นเวลานาน จึงได้เสนอแนวคิดเกี่ยวกับระบบกระตุ้นการตื่นตัวแบบขึ้นสู่สมอง ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ได้มีการค้นพบเส้นทางส่งสัญญาณขึ้นสู่สมองที่สำคัญหลายเส้นทาง พร้อมด้วยเซลล์ประสาทและสารสื่อประสาท ที่เกี่ยวข้อง เส้นทางนี้แบ่งออกเป็นสองสาขา คือ สาขาหนึ่งขึ้นไปยังทาลามัสและกระตุ้นเซลล์ประสาทส่งต่อในทาลามัส และอีกสาขาหนึ่งกระตุ้นเซลล์ประสาทในส่วนด้านข้างของไฮโปทาลามัสและสมองส่วนหน้าฐานและทั่วทั้งเปลือกสมองนี่หมายถึงระบบกระตุ้นเรติคูลาร์แบบขึ้นสู่สมอง (ดูreticular formation ) กลุ่มเซลล์ที่เกี่ยวข้องในเส้นทางแรกคือกลุ่มเซลล์ที่ผลิตอะเซทิลโคลีน เรียกว่า นิวเคลียส เพดุนคูโลพอนไทน์และลาเทอโรดอร์ซัลเทกเมนทัล เซลล์ประสาทเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการเชื่อมโยงข้อมูลระหว่างทาลามัสและเปลือกสมอง เซลล์ประสาทเหล่านี้มีการทำงานสูงในขณะตื่นและในระหว่างการนอนหลับแบบ REMและมีการทำงานต่ำในระหว่างการนอนหลับแบบ NREMสาขาที่สองมีต้นกำเนิดมาจากเซลล์ประสาทโมโนอะมิโนเจนิก เซลล์ประสาทเหล่านี้ตั้งอยู่ในบริเวณลอคัสโค เอรูลั ส นิวเคลียส ดอร์ ซัลและ มีเดียนราเฟ เนื้อเยื่อสีเทาเพอริอะควาดักทัลส่วนท้อง และนิวเคลียสทูเบอโรแมมมิล ลารี แต่ละกลุ่มผลิตสารสื่อประสาทที่แตกต่างกัน เซลล์ประสาทในลอคัสโคเอรูลัสผลิต นอร์ อะดรีนาลีนเช่นเดียวกับเซลล์ประสาทในนิวเคลียส ดอร์ซั ลและมีเดียนราเฟ เนื้อเยื่อสีเทาเพอริอะควาดักทัลส่วนท้อง และนิวเคลียสทูเบอโรแมมมิลลารีที่ผลิตเซโรโทนิน โดปามีน และฮิสตามีน ตามลำดับ จากนั้นพวกมันจะส่งสัญญาณไปยังเซลล์ประสาทเปปไทด์ในไฮโปทาลามัส ซึ่งมีฮอร์โมนที่มีเมลานินเข้มข้นหรือโอเร็กซินและเซลล์ประสาทในสมองส่วนหน้าฐานซึ่งมีGABAและอะเซทิลโคลีน จากนั้นเซลล์ประสาทเหล่านี้จะส่งสัญญาณไปยังเปลือกสมองนอกจากนี้ยังพบว่ารอยโรคในส่วนนี้ของสมองทำให้เกิดการนอนหลับนานขึ้นหรืออาจทำให้เกิดอาการโคม่าได้^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

การค้นพบว่ารอยโรคในบริเวณพรีออปติกและไฮโปทาลามัส ส่วนหน้า ทำให้เกิด อาการนอน ไม่หลับในขณะที่รอยโรคในไฮโปทาลามัสส่วนหลังทำให้เกิดอาการง่วงนอน ช่วยให้เข้าใจกลไกการเริ่มหลับได้มากขึ้น^{[ 6 ] [ 7 ]}การวิจัยเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าบริเวณไฮโปทาลามัสที่เรียกว่านิวเคลียสพรีออปติกด้านข้างส่วนล่างผลิตสารสื่อประสาทGABAที่ยับยั้งระบบการตื่นตัวในระหว่างการเริ่มหลับ^{[ 8 ]}

การเริ่มหลับถูกกระตุ้นโดยเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการนอนหลับ ซึ่งตั้งอยู่ในนิวเคลียสพรีออปติกด้านข้างส่วน ล่าง (VLPO) เชื่อกันว่าเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการนอนหลับจะส่งGABAชนิด A และกาแลนินซึ่งเป็นสารสื่อประสาทที่ยับยั้งสองชนิด ไปยังเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการตื่นตัว เช่น เซลล์ประสาทฮิสตามีน เซโรโทนิน โอเร็กซิน นอร์อะดรีนาลิน และโคลินเนอร์จิก (เซลล์ประสาทที่กล่าวถึงข้างต้น) ระดับของอะเซทิลโคลีน นอร์เอพิเนฟริน เซโรโทนิน และฮิสตามีนจะลดลงเมื่อเริ่มหลับ เนื่องจากสารเหล่านี้ล้วนเป็นสารสื่อประสาทที่ส่งเสริมการตื่นตัว^{[ 2 ]}ดังนั้นจึงเชื่อว่าการกระตุ้นเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการนอนหลับจะทำให้เกิดการยับยั้งเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการตื่นตัว ซึ่งนำไปสู่การนอนหลับ หลักฐานแสดงให้เห็นว่าในระหว่างวงจรการนอนหลับและการตื่น เซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการนอนหลับและเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการตื่นตัวมีการปล่อยสัญญาณซึ่งกันและกัน และในระหว่าง การนอน หลับแบบ NREM ตัวรับ GABAจะเพิ่มขึ้นในเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการตื่นตัว สิ่งนี้ทำให้บางคนเชื่อว่าการเพิ่มขึ้นของ ตัวรับ GABAในเซลล์ประสาทที่ส่งเสริมการตื่นตัวเป็นอีกเส้นทางหนึ่งในการชักนำให้เกิดการนอนหลับ^{[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

อะดีโนซีนยังเป็นที่รู้จักในฐานะนิวคลีโอไซด์นิวโรโมดูเลเตอร์ที่ช่วยส่งเสริมการนอนหลับ แอสโทรไซต์จะเก็บสะสมสารอาหารจำนวนเล็กน้อยในรูปของไกลโคเจน ในช่วงเวลาที่สมองมีการทำงานเพิ่มขึ้น เช่น ในเวลากลางวัน ไกลโคเจนนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับเซลล์ประสาท ดังนั้น การตื่นตัวเป็นเวลานานจะทำให้ระดับไกลโคเจนในสมองลดลง การลดลงของระดับไกลโคเจนจะทำให้ระดับอะดีโนซีนนอกเซลล์เพิ่มขึ้น ซึ่งมีผลยับยั้งการทำงานของเซลล์ประสาท การสะสมของอะดีโนซีนนี้ทำหน้าที่เป็นสารที่ช่วยส่งเสริมการนอนหลับ^{[ 2 ]}

เซลล์ประสาทเกี่ยวกับการนอนหลับส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในบริเวณพรีออปติกด้านข้างส่วนล่าง (vlPOA) เซลล์ประสาทเกี่ยวกับการนอนหลับเหล่านี้จะเงียบจนกว่าบุคคลนั้นจะแสดงการเปลี่ยนจากภาวะตื่นไปสู่การนอนหลับ^{[ 9 ]}เซลล์ประสาทเกี่ยวกับการนอนหลับในบริเวณพรีออปติกจะได้รับอินพุตยับยั้งจากบางภูมิภาคเดียวกันกับที่พวกมันยับยั้ง รวมถึงนิวเคลียสทูเบอร์แมมมิลลารี นิวเคลียสราเฟ และโลคัสโคเอรูเลียส^{[ 10 ]} ดังนั้น พวกมันจึงถูกยับยั้งโดยฮิสตามีน เซโรโทนิน และนอร์เอพิเนฟริน การยับยั้งซึ่งกันและกันนี้อาจเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างช่วงเวลาของการนอนหลับและการตื่น การยับยั้งซึ่งกันและกันยังเป็นลักษณะเฉพาะของวงจรไฟฟ้าที่เรียกว่าฟลิปฟลอป ฟลิปฟลอปสามารถอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสองสถานะ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าเปิดหรือปิด ดังนั้น เซลล์ประสาทที่ควบคุมการนอนหลับจะทำงานและยับยั้งเซลล์ประสาทที่ควบคุมการตื่น หรือเซลล์ประสาทที่ควบคุมการตื่นจะทำงานและยับยั้งเซลล์ประสาทที่ควบคุมการนอนหลับ เนื่องจากบริเวณเหล่านี้มีการยับยั้งซึ่งกันและกัน จึงเป็นไปไม่ได้ที่เซลล์ประสาทในทั้งสองกลุ่มของบริเวณจะทำงานพร้อมกัน การสลับไปมาระหว่างสถานะต่างๆ อย่างรวดเร็วนี้ อาจไม่เสถียร^{[ 11 ]}

โดยปกติแล้ววงจรการนอนหลับจะถูกกำหนดเป็นระยะ เมื่อบุคคลเริ่มนอนหลับครั้งแรก จะเข้าสู่ระยะที่ 1 ซึ่งมีลักษณะเด่นคือมีกิจกรรมคลื่นธีตา ซึ่งบ่งชี้ว่าการทำงานของเซลล์ประสาทในเปลือกสมองส่วนหน้าเริ่มประสานกันมากขึ้น รวมถึงกิจกรรมคลื่นอัลฟา (กิจกรรมทางไฟฟ้าที่ราบเรียบ 8–12 เฮิรตซ์ที่บันทึกจากสมอง ซึ่งโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับสภาวะผ่อนคลาย) ระยะนี้เป็นช่วงเปลี่ยนผ่านระหว่างการนอนหลับและการตื่น ระยะนี้จัดเป็นการนอนหลับแบบไม่ REM ^{[ 2 ]}

• ระยะเวลาในการเริ่มหลับ
• ภาวะกึ่งหลับกึ่งตื่น
• ไมโครสลีป
• การกระตุ้นเล็กน้อย