La vigilia se produce por una interacción compleja entre múltiples sistemas de neurotransmisores que surgen en el tronco cerebral y ascienden a través del cerebro medio, el hipotálamo, el tálamo y el cerebro anterior basal. El hipotálamo posterior juega un papel clave en el mantenimiento de la activación cortical que subyace a la vigilia. Varios sistemas que se originan en esta parte del cerebro controlan el cambio de la vigilia al sueño y del sueño a la vigilia. Las neuronas de histamina en el núcleo tuberomamilar y el hipotálamo posterior adyacente cercano se proyectan a todo el cerebro y son el sistema más selectivo de vigilia hasta ahora identificado en el cerebro. Otro sistema clave es el proporcionado por las orexinas (también conocidas como hipocretinas) que proyectan las neuronas. Estos existen en áreas adyacentes a las neuronas de histamina y, al igual que ellos, se proyectan ampliamente a la mayoría de las áreas cerebrales y se asocian con la excitación. La deficiencia de orexina se ha identificado como responsable de la narcolepsia.

La investigación sugiere que las neuronas de orexina e histamina desempeñan papeles distintos, pero complementarios, en el control de la vigilia, ya que la orexina está más involucrada con el comportamiento de vigilia y la histamina con la cognición y la activación del electroencefalograma cortical.

Se ha sugerido que el feto no está despierto, y que la vigilia ocurre en el recién nacido debido al estrés del nacimiento y la activación asociada del locus coeruleus.