W przypadku USWS tylko jedna strona mózgu wykazuje EEG typowe dla snu głębokiego. Strona kontralateralna cechuje się EEG typowym dla czuwania, z niską amplitudą i wysoką częstotliwością. Istnieją także przykłady, w których półkule znajdują się w przejściowym stanie snu, nie objęto ich jednak badaniem z uwagi na ich niejasną naturę. USWS to pierwsze znane zachowanie, w którym jedna część mózgu kontroluje sen, podczas gdy inna kontroluje czuwanie.
Rola acetylocholiny thumb|Kotik zwyczajny Uważa się, że w regulacji USWS biorą udział neuroprzekaźniki. Jeden z nich, acetylocholinę, powiązano z aktywacją półkuli u kotika zwyczajnego. Naukowcy badali te płetwonogie w kontrolowanym środowisku. Oceniali ich zachowanie. Implantowano im również chirurgicznie elektrody do przeprowadzania EEG. Acetylocholina wydzielana jest prawie w tych samych ilościach na półkulę w śnie wolnym dwupółkulowym. Jednak w USWS maksymalne wydzielanie korowe acetylocholiny wykazuje lateralizację: przeważa w półkuli, której EEG odpowiada czuwaniu. Półkula kontralateralna, wykazująca SWS, zaznacza się minimalnym wydzielaniem acetylocholiny. Ten model wydzielenia acetylocholiny został później wykryty u innych gatunków, jak butlonos.