Ο υπερχιασματικός πυρήνας (SCN) είναι ένα ζευγάρι δομής μεγέθους πινέζας του υποθαλάμου, ένα τμήμα του εγκεφάλου που βρίσκεται πάνω από τον οπτικό χιασμό, την περιοχή όπου διασχίζονται τα οπτικά νεύρα. Ελέγχει τον κιρκάδιο ρυθμό, τη ρυθμική επανάληψη ορισμένων φαινομένων την ίδια περίπου ώρα κάθε μέρα. Γνωστό και ως βιολογικό ρολόι, περιέχει περίπου 20,000 νευρώνες που παράγουν νευρωνικά και ορμονικά σήματα που ρυθμίζουν τις διαφορετικές λειτουργίες του σώματος σε έναν κύκλο περίπου 24 ωρών. Ορισμένα σήματα που παράγονται από τους νευρώνες του υπερχιασματικού πυρήνα περιλαμβάνουν το γάμμα-αμινοβουτυρικό οξύ, την αγγειοπιεστίνη, το αγγειοδραστικό εντερικό πεπτίδιο και τη σωματοστατίνη. Οι διαφορετικές λειτουργίες του σώματος που συγχρονίζονται με τα σήματα που δημιουργούνται είναι ο κύκλος ύπνου-αφύπνισης, η θερμοκρασία του σώματος, οι αλλαγές στην αρτηριακή πίεση, η παραγωγή ούρων και η έκκριση ορμονών.
Οι κιρκαδικοί ρυθμοί μπορούν να παρασυρθούν από τον κύκλο φωτός και σκότους του περιβάλλοντος. Μόλις το φως που προέρχεται από το περιβάλλον φτάνει στα μάτια, εξειδικευμένα ευαίσθητα στο φως κύτταρα του αμφιβληστροειδούς γνωστά ως φωτοϋποδοχείς μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρικά σήματα και στη συνέχεια το μεταδίδουν στον εγκέφαλο. Αυτά τα σήματα που ταξιδεύουν κατά μήκος του αμφιβληστροειδούς αγωγού του αμφιβληστροειδούς παράγουν δελεασμό. Η εξάσκηση μετατοπίζει τη φάση της υπερχιασματικής δραστηριότητας του πυρήνα έτσι ώστε να συγχρονίζεται με τον κύκλο φωτός και σκοτεινού περιβάλλοντος της ίδιας συχνότητας. Κατά τη διάρκεια της υποκειμενικής ημέρας, η ενδυνάμωση μεσολαβείται από κυκλική μονοφωσφορική αδενοσίνη και πεπτίδιο ενεργοποίησης της αδενυλοκυκλάσης της υπόφυσης, ενώ κατά τη διάρκεια της υποκειμενικής νύχτας, μεσολαβείται από κυκλική μονοφωσφορική γουανοσίνη και ακετυλοχολίνη.
Εκτός από τα περιβαλλοντικά φωτεινά σήματα, ο υπερχιασματικός πυρήνας επηρεάζεται από τη μελατονίνη. Η μελατονίνη είναι μια ορμόνη που συντίθεται από τον νευροδιαβιβαστή σεροτονίνη από την επίφυση. Είναι ταυτόχρονα παράγοντας και ρυθμιστής του υπερχιασματικού πυρήνα. Η σύνθεσή του είναι κιρκαδική, όπου αναστέλλεται από το φως και διεγείρεται από το σκοτάδι. Καθώς το επίπεδο αυξάνεται κατά τη διάρκεια του περιβαλλοντικού σκοταδιού, η μελατονίνη στέλνει πληροφορίες στον εγκέφαλο ότι έχει φτάσει η νύχτα και η παρακίνηση των λειτουργιών του σώματος προκαλείται αναλόγως.
Έχουν εντοπιστεί αρκετά γονίδια που ρυθμίζουν τον κιρκάδιο ρυθμό. Αυτά είναι τα διαχρονικά γονίδια, της περιόδου, του dclock και του κύκλου. Ελέγχουν την πρωτεϊνική έκφραση, οδηγώντας σε ένα σύνθετο ενδοκυτταρικό σύστημα αρνητικής ανάδρασης. Το σύστημα αρνητικής ανατροφοδότησης αντιπροσωπεύει την περιοδικότητα του υπερχιασματικού πυρήνα.
Η διακύμανση του ρυθμού της νευρωνικής και ορμονικής σηματοδότησης συμβαίνει εποχιακά. Μπορεί να αντικατοπτρίζει την επίδραση της διακύμανσης στο μήκος, τις παλίρροιες, τη θερμοκρασία και τον ήλιο του φωτός της ημέρας. Σε jet lag, το βιολογικό ρολόι διαταράσσεται λόγω μιας ξαφνικής τεχνητής αλλαγής του χρόνου ρολογιού από το ταξίδι σε διαφορετική ζώνη ώρας, με αποτέλεσμα μια απότομη μετατόπιση των νευρωνικών και ορμονικών σημάτων. Συχνά, απαιτούνται αρκετές ημέρες για να επαναφέρετε τη λειτουργία του σώματος σε έναν κανονικό κύκλο 24 ωρών.