科学家发现了两种神经计时机制：一种是间隔计时，计量的时间间隔最高为1小时。另一种昼夜节律计时，可以让某些身体活动出现周期为24 小时的起伏变化。
间隔计时器
根据一个模型，如果我们对某一事件的持续时间很熟悉（比如交通信号灯持续4秒的黄灯状态），该事件的开始会引起大脑作出两个反应，从而按下间隔计时器的“开始按钮”。
一是会让放电频率不同的一组特别的皮层神经元（a）立刻同时放电（b及脑中的绿色箭头）。二是会使黑质中的神经元短暂地释放信号化学物质多巴胺（紫色箭头）。
纹状体（c）中的多棘细胞同时受这两个信号的影响，在神经元恢复各自的放电频率后，多棘细胞继续对来自皮层细胞的神经冲动的总体模式进行监测。由于皮层细胞在时间间隔开始时的行为是同步的，所以接下来的模式每次都会遵循同样的顺序，并在到达熟悉的时间间隔末尾时表现出独特的形式（d）。这时，纹状体会通过大脑的其他部分向负责决策的大脑皮层发出“时间到”的信号。
昼夜节律钟
每天昼夜交替的循环，对许多以24小时为周期的生理活动起着支配作用，决定这些活动何时达到高峰或低谷。
大脑利用眼睛视网膜上的神经节细胞来追踪光线的明暗变化。其中一些细胞中名为视黑素（melanopsin）的色素可能有感光的功能，会使视网膜神经节细胞将光的亮度和持续时间等信息发送至大脑的视交叉上核（suprachiasmaticnucleus）。然后，视交叉上核将信息送至负责控制昼夜节律的大脑和身体区域。研究人员对其指挥松果体（pineal gland）分泌褪黑激素（有时称睡眠激素）的过程最为了解。
在白天，视交叉上核会发出信号（图中红色箭头），阻止大脑的另一个区域室旁核（paraventricular nucleus）产生最终导致褪黑激素分泌的信息。而到了天黑之后，视交叉上核不再发送阻止信号，允许室旁核将“分泌褪黑激素”的信号（绿色箭头）通过脊椎上部和颈部的神经元传至松果体。
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