La naturaleza solitaria y la función desconocida de la glándula pineal contribuyeron a que el filósofo francés René Descartes la llamara «sede del alma» y sugiriera que era el lugar donde el alma inmaterial se comunicaba con el cuerpo físico. Sin embargo, las ideas de Descartes sobre la glándula pineal nunca fueron ampliamente aceptadas por sus contemporáneos, y hoy en día la función más frecuentemente asociada a la glándula pineal es la secreción de la hormona melatonina, que está implicada en la regulación de los ritmos circadianos.

No hay neuronas que salgan de la glándula pineal para llevar señales a otras áreas del cerebro. En cambio, la principal salida de la glándula pineal -y la forma en que se comunica con el resto del sistema nervioso- es la melatonina. La glándula pineal está formada principalmente por células secretoras denominadas pinealocitos, que segregan melatonina a un ritmo variable a lo largo de nuestro ciclo de 24 horas. Las tasas más altas de secreción de melatonina se producen en mitad de la noche; comienzan a disminuir a medida que se acerca el amanecer. Este calendario de liberación de melatonina se mantiene en función de la información sobre la cantidad de luz en el entorno que la glándula pineal recibe de la retina. La retina envía esta información a un núcleo del hipotálamo llamado núcleo supraquiasmático (SCN), y desde allí toma un camino enrevesado hasta la glándula pineal.

Además de enviar información sobre la iluminación ambiental a la glándula pineal, el SCN también controla los ritmos circadianos. El SCN tiene receptores para la melatonina, y utiliza la señal de la melatonina para obtener información sobre la hora del día. Como los niveles de melatonina son más altos durante las horas de oscuridad, el SCN puede utilizar la actividad de la melatonina como señal de que nuestro ritmo circadiano debe estar en su fase nocturna. De este modo, la secreción de melatonina puede actuar como un indicador importante si el ritmo circadiano de una persona no está sincronizado con el entorno (por ejemplo, si se están produciendo niveles altos de secreción pero la persona sigue muy despierta). Esto ocurre, por ejemplo, cuando alguien tiene que adaptarse a un nuevo ciclo de 24 horas después de volar a través de varias zonas horarias. La melatonina administrada de forma exógena, de hecho, se ha explorado como una forma de acelerar el proceso de adaptación a un nuevo ciclo de sueño-vigilia, con cierto éxito.

Así como la secreción de melatonina puede proporcionar información sobre la hora del día, la duración nocturna de la secreción de melatonina puede proporcionar información sobre la estación del año. Debido a que en invierno se producen períodos de oscuridad más largos, la duración de la secreción de melatonina por la noche en invierno es ligeramente más larga que en verano. Esto se utiliza como señal en los animales que se consideran fotoperiódicos, lo que significa que experimentan cambios biológicos y de comportamiento en respuesta a los cambios de estación. Por ejemplo, muchos roedores suprimen la actividad sexual durante los meses de invierno; se ha demostrado que la extirpación de la glándula pineal en los roedores impide que se produzca esta supresión. Esto sugiere que la secreción de melatonina de la glándula pineal sirve como una especie de calendario biológico en los roedores, ayudando a regular su comportamiento estacional. No está claro que esta función de la melatonina tenga mucha relevancia para los humanos, que no se consideran fotoperiódicos. Sin embargo, debido a la aparición de síntomas depresivos durante el invierno en aquellos con trastorno afectivo estacional, se ha sospechado que la secreción anormal de melatonina juega un papel en el trastorno, lo que sugiere que está dentro del ámbito de la posibilidad de que los cambios estacionales en la secreción de melatonina también afecten al comportamiento humano.

Debido a su estrecha asociación con los ritmos nocturnos y circadianos, se ha investigado que la melatonina juega un papel en la promoción del sueño. Algunos han planteado la hipótesis de que la secreción de melatonina puede facilitar el sueño al inhibir la actividad en el SCN que promueve la vigilia. Sin embargo, la verdadera relación entre la melatonina y el sueño no está clara. En los animales nocturnos, los niveles de melatonina siguen siendo más altos por la noche, lo que sugiere un papel de la melatonina en los ritmos circadianos que no implica necesariamente la regulación del sueño. Muchos estudios han investigado los efectos de la administración de melatonina en el sueño, y aunque hay algunos indicios de que puede ser eficaz en el tratamiento de los trastornos leves del sueño, los resultados han sido contradictorios (por ejemplo, véase Ferracioli-Oda et al., 2013 y Buscemi et al., 2005).

Los niveles adecuados de secreción de melatonina son importantes para la salud humana, y la hormona está involucrada en una amplia gama de procesos que no se discuten aquí. Tal vez porque la glándula pineal está muy especializada, centrándose sólo en la secreción de melatonina, su importancia a veces se pasa por alto. Sin embargo, la importancia de la melatonina en el mantenimiento de los ritmos circadianos, y el papel de la glándula pineal en su producción, sugieren que la glándula pineal es una estructura esencial para la salud del sistema nervioso central.