Alterações no padrão secretor de melatonina foram encontradas em uma série de doenças psiquiátricas e neurológicas como distúrbio bipolar, depressão, bulimia, anorexia, esquizofrenia, transtorno de pânico, transtorno obsessivo compulsivo, epilepsia, autismo, Alzheimer e Parkinson.
Uma das características marcantes de alteração cerebral na doença de Alzheimer é a presença de placas beta-amilóides, formada pelo agrupamento de proteínas e bloqueando a sinalização e processo de sinapse cerebral. A má qualidade do sono é capaz de aumentar a proliferação dessas placas nas áreas cerebrais, comprometendo cada vez mais a capacidade cerebral.
A melatonina, hormônio produzido em tecidos como cérebro e trato digestório inibe a formação e agregação das placas beta-amilóides e previne os danos oxidativos devido ao seu papel antioxidante. Contudo, estes benefícios parecem ocorrer apenas nos estágios iniciais da doença. Alimentos fonte de melatonina incluem uvas, vinho e azeite de oliva.