Die einsame Natur und die unbekannte Funktion der Zirbeldrüse trugen dazu bei, dass der französische Philosoph Renee Descartes sie als „Sitz der Seele“ bezeichnete und vorschlug, sie sei der Ort, an dem die immaterielle Seele mit dem physischen Körper kommunizierte. Descartes‘ Ideen über die Zirbeldrüse wurden von seinen Zeitgenossen jedoch nie weithin akzeptiert, und heute ist die Funktion, die am häufigsten mit der Zirbeldrüse in Verbindung gebracht wird, die Sekretion des Hormons Melatonin, das an der Regulierung des zirkadianen Rhythmus beteiligt ist.
Es gibt keine Neuronen, die die Zirbeldrüse verlassen, um Signale an andere Bereiche des Gehirns weiterzuleiten. Stattdessen ist der Hauptausgang der Zirbeldrüse – und die Art und Weise, wie sie mit dem Rest des Nervensystems kommuniziert – Melatonin. Die Zirbeldrüse besteht hauptsächlich aus sekretorischen Zellen, den sogenannten Pinealozyten, die während unseres 24-Stunden-Zyklus Melatonin in unterschiedlicher Menge absondern. Die höchste Melatoninausschüttung findet mitten in der Nacht statt; sie nimmt ab, je näher die Morgendämmerung kommt. Dieser Zeitplan der Melatoninausschüttung wird auf der Grundlage von Informationen über die Lichtmenge in der Umgebung aufrechterhalten, die die Zirbeldrüse von der Netzhaut erhält. Die Retina sendet diese Informationen an einen Kern im Hypothalamus, den so genannten suprachiasmatischen Kern (SCN), und von dort aus führt ein verschlungener Weg zur Zirbeldrüse.
Neben der Weiterleitung von Informationen über das Umgebungslicht an die Zirbeldrüse steuert der SCN auch die zirkadianen Rhythmen. Der SCN hat Rezeptoren für Melatonin und nutzt das Melatoninsignal, um Informationen über die Tageszeit zu erhalten. Da der Melatoninspiegel während der Stunden der Dunkelheit am höchsten ist, kann der SCN die Melatoninaktivität als Zeichen dafür verwenden, dass sich unser zirkadianer Rhythmus in der nächtlichen Phase befinden sollte. Auf diese Weise kann die Melatoninsekretion als wichtiger Indikator dienen, wenn der zirkadiane Rhythmus einer Person nicht mit der Umwelt synchron ist (z.B. wenn hohe Sekretionswerte auftreten, die Person aber noch hellwach ist). Das passiert z. B., wenn sich jemand nach einem Flug über mehrere Zeitzonen an einen neuen 24-Stunden-Zyklus anpassen muss. Exogen verabreichtes Melatonin wurde in der Tat als eine Möglichkeit erforscht, den Prozess der Anpassung an einen neuen Schlaf-Wach-Zyklus zu beschleunigen, mit einigem Erfolg.
Genauso wie die Melatoninsekretion Informationen über die Tageszeit liefern kann, kann die nächtliche Dauer der Melatoninsekretion Informationen über die Jahreszeit liefern. Da im Winter längere Dunkelheitsperioden auftreten, ist die Dauer der nächtlichen Melatoninausschüttung im Winter etwas länger als im Sommer. Dies wird als Signal bei Tieren genutzt, die als photoperiodisch gelten, was bedeutet, dass sie biologische und Verhaltensänderungen als Reaktion auf die wechselnden Jahreszeiten erfahren. Zum Beispiel unterdrücken viele Nagetiere die sexuelle Aktivität während der Wintermonate; es wurde gezeigt, dass die Entfernung der Zirbeldrüse bei Nagetieren diese Unterdrückung verhindert. Dies deutet darauf hin, dass die Melatonin-Sekretion der Zirbeldrüse bei Nagetieren als eine Art biologischer Kalender dient und damit hilft, ihr jahreszeitliches Verhalten zu regulieren. Es ist nicht klar, dass diese Funktion des Melatonins für den Menschen von großer Bedeutung ist, da er nicht als photoperiodisch gilt. Aufgrund des Auftretens von depressiven Symptomen während des Winters bei Menschen mit einer saisonalen affektiven Störung wird jedoch vermutet, dass eine abnormale Melatoninsekretion eine Rolle bei dieser Störung spielt, was darauf hindeutet, dass es im Bereich des Möglichen liegt, dass saisonale Veränderungen in der Melatoninsekretion auch das menschliche Verhalten beeinflussen.
Da Melatonin eng mit der Nacht und den zirkadianen Rhythmen verbunden ist, wurde seine Rolle bei der Förderung des Schlafes untersucht. Einige haben die Hypothese aufgestellt, dass die Melatoninsekretion den Schlaf erleichtern könnte, indem sie die Aktivität im SCN hemmt, die die Wachsamkeit fördert. Die tatsächliche Beziehung zwischen Melatonin und Schlaf ist jedoch unklar. Bei nachtaktiven Tieren ist der Melatoninspiegel nachts immer noch am höchsten, was auf eine Rolle von Melatonin in den zirkadianen Rhythmen hindeutet, die nicht unbedingt mit der Schlafregulation zu tun hat. Viele Studien haben die Auswirkungen der Verabreichung von Melatonin auf den Schlaf untersucht, und obwohl es einige Hinweise darauf gibt, dass es bei der Behandlung von leichten Schlafstörungen wirksam sein könnte, waren die Ergebnisse gemischt (siehe z.B. Ferracioli-Oda et al., 2013 und Buscemi et al., 2005).
Angemessene Melatoninspiegel sind wichtig für die menschliche Gesundheit, und das Hormon ist an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt, die hier nicht diskutiert werden. Vielleicht weil die Zirbeldrüse hoch spezialisiert ist und sich nur auf die Melatoninsekretion konzentriert, wird ihre Bedeutung manchmal übersehen. Die Bedeutung von Melatonin für die Aufrechterhaltung der zirkadianen Rhythmen und die Rolle der Zirbeldrüse bei der Produktion des Hormons legen jedoch nahe, dass die Zirbeldrüse eine wesentliche Struktur für die Gesundheit des zentralen Nervensystems ist.