La fase REM también se conoce como sueño paradójico (PS) donde, a veces, el sueño no está sincronizado debido a las similitudes fisiológicas que tiene con los estados de vigilia, incluidas las ondas cerebrales desincronizadas de bajo voltaje y rápidas. La actividad eléctrica y química que regula esta fase parece originarse en el tallo cerebral y se caracteriza principalmente por la abundancia del neurotransmisor acetilcolina, combinado con una ausencia casi completa de neurotransmisores de monoamina, histamina, serotonina y norepinefrina.
El sueño REM es fisiológicamente diferente de las otras fases del sueño, que se denominan colectivamente sueño no REM (sueño NREM, NREMS, sueño sincronizado). El sueño REM y no REM se alternan dentro de un ciclo de sueño, que dura aproximadamente 90 minutos en humanos adultos. A medida que los ciclos de sueño continúan, cambian hacia una mayor proporción de sueño REM. La transición al sueño REM trae cambios físicos marcados, que comienzan con estallidos eléctricos llamados ondas PGO que se originan en el tronco encefálico. Los organismos en el sueño REM suspenden la homeostasis central, lo que permite grandes fluctuaciones en la respiración, la termorregulación y la circulación, que no ocurren en ningún otro modo de dormir o de despertarse. El cuerpo pierde abruptamente el tono muscular, un estado conocido como REM atonía.
El profesor Nathaniel Kleitman y su alumno Eugene Aserinsky, fueron los que definieron el movimiento ocular rápido y lo vincularon a los sueños en 1953. El sueño REM fue descrito por investigadores como William Dement y Michel Jouvet. Muchos experimentos han implicado el despertar de sujetos de prueba cada vez que comienzan a entrar en la fase REM, produciendo así un estado conocido como privación de REM. Los sujetos a los que se les permite dormir normalmente de nuevo, generalmente experimentan un rebote REM modesto. Las técnicas de neurocirugía, inyección química, electroencefalografía, tomografía por emisión de positrones e informes de soñadores al despertar, se han utilizado para estudiar esta fase del sueño.
