El ritmo circadiano de la secreción pineal de melatonina, controlado por el núcleo supraquiasmático (SCN), refleja los mecanismos implicados en el control del ciclo sueño/vigilia. La melatonina puede influir en las acciones promotoras del sueño y reguladoras del ritmo sueño/vigilia a través de la activación específica de los receptores MT(1) (melatonina 1a) y MT(2) (melatonina 1b), los dos principales subtipos de receptores de melatonina que se encuentran en los mamíferos.
Ambos receptores están muy concentrados en el SCN. En los animales diurnos, la melatonina exógena induce el sueño en una amplia gama de dosis. En humanos sanos, la melatonina también induce el sueño, aunque su máxima eficacia hipnótica, como demuestran los estudios sobre el momento de administración de la dosis, está influida por la fase circadiana. En individuos jóvenes y ancianos con insomnio primario, los niveles plasmáticos nocturnos de melatonina tienden a ser inferiores a los de los controles sanos. Existen datos que indican que, en los individuos afectados, el tratamiento con melatonina puede ser beneficioso para mejorar los síntomas del insomnio.
La melatonina se ha utilizado con éxito para tratar el insomnio en niños con trastorno por déficit de atención con hiperactividad o autismo, así como en otros trastornos del neurodesarrollo en los que es frecuente encontrar alteraciones del sueño. En los trastornos del ritmo circadiano del sueño, como el síndrome de retraso de la fase del sueño, la melatonina puede adelantar significativamente la fase del ritmo sueño/vigilia.
Del mismo modo, entre los trabajadores por turnos o las personas que sufren jet lag, la melatonina es beneficiosa para favorecer la adaptación a los horarios de trabajo y mejorar la calidad del sueño. Las propiedades hipnóticas y reguladoras del ritmo de la melatonina y sus agonistas (ramelteon, agomelatina) los convierten en un importante complemento del arsenal de fármacos para tratar el insomnio primario y secundario y los trastornos del ritmo circadiano del sueño.