哺乳动物的睡眠周期包括两个主要过程：慢波睡眠(SWS)和快波睡眠(REM)。这两个过程在睡眠过程中循环交替。随着进入慢波睡眠和快波睡眠过程，大脑不同类型的记忆得到巩固。研究表明，打断这些过程会有碍于学习和长期记忆的形成。
慢波睡眠使陈述性记忆（declarative memory）获得存储。快波睡眠则巩固了程序性记忆（procedural memory）和内隐记忆（implicit memory）。程序性记忆是需要记住如何做某事，比如怎样写一个实验报告。而内隐记忆是依靠建立在过去经验的基础上的有意识的思考，比如，记住如何对文献进行检索以便完成学期论文，则是一种内隐记忆。
从细胞水平上讲，哺乳动物的海马神经元被认为是创建和巩固记忆的仪器，即学习和记忆的过程通过海马神经元完成。这些均可通过小鼠的迷宫实验来证明。
在睡眠中，海马区的突触通过“长时程增强”现象(long term potentiation，LTP)而得到增强，这一现象完成了短期记忆到长期记忆的重要转换。
当睡眠停止时，LTP现象可以被制止或抑制。mTOR蛋白被认为是诱导和加速在睡眠过程中参与LTP现象的蛋白质的翻译过程。然而研究发现，当睡眠状态被剥夺时，mTOR的活性被抑制。
这似乎说明，保持足够睡眠对学习和记忆至关重要。
大多数的睡眠相关研究是在灵长类动物和老鼠等生物模型中进行，由于对人类大脑的实验存在道德挑战，研究者尚不能说明同样的理论也适用于人类睡眠。
主要参考文献：
https://www.geneticliteracyproject.org/2016/09/02/message-to-college-students-how-your-all-nighters-affect-your-learning-and-memory/
