El sueño no sigue un patrón uniforme sino que se compone de varias fases diferenciadas, que se repiten cíclicamente unas 5 o 6 veces cada noche, pasando cada hora y media del sueño ligero al profundo y de este al ligero. Una posible explicación a este fenómeno puede relacionarse con la necesidad vital de nuestros antepasados de estar permanentemente en guardia, frente a las posibles amenazas del entorno hostil.
El sueño conlleva una serie de peligros para la integridad de los animales al disminuir las alertas y es posible que las intermitencias en la profundidad del mismo hayan supuesto una solución práctica, que concilia necesidad con seguridad, máxime en los animales sociales, cuando son varios los individuos que duermen y velan por la noche.
El psicólogo norteamericano William Charles Dement, estudiando a personas durmientes, descubrió que durante una etapa de su sueño se producían movimientos oculares rápidos (Rapid Eye Movement), posteriormente llamada Fase REM, que iban acompañados por un aumento de la respiración, de la frecuencia cardiaca y de la presión arterial, llegando a alcanzar los niveles típicos de la vigilia.
El registro de los parámetros electrofisiológicos (polisomnografía) permite definir los estados de sueño y de vigilia, mediante el electroencefalograma (EEG), el electrooculograma (EOG) y el electromiograma de superficie (EMG) y así podemos registrar la movilidad ocular y los cambios en las ondas cerebrales que se producen durante el sueño.
Del estado de vigilia, caracterizado por ondas beta de 13 a 17 ciclos por segundo (c.p.s.) se va pasando a la relajación con ondas alfa entre 8 y 12 c.p.s., a continuación sigue la Fase 1 del sueño, seguida de la Fase II con ondas theta de 4 a 7 c.p.s. y va haciéndose más y más profundo en la Fase III, hasta un grado de máxima profundidad, que se conoce como Fase 4, donde predominan las ondas delta de 1 a 3 c.p.s. En esta fase la frecuencia cardíaca y respiratoria, el tono muscular y la presión arterial están intensamente disminuidos.
A continuación el sueño pierde profundidad y regresa casi al estado de vigilia – relajación, donde aparece una nueva fase conocida con el nombre de Fase REM (Rapid Eye Movement), caracterizada por unos movimientos oculares rápidos y un marcado incremento de la actividad cerebral, que contrasta con la gran disminución del tono muscular en el resto del cuerpo.
Durante la fase REM la actividad eléctrica en el cerebro es especialmente alta y se asemeja a la del estado de vigilia, igualmente ocurre con la frecuencia y la profundidad de las respiraciones que también están aumentadas, sin embargo el tono muscular está deprimido, siendo todavía inferior al detectado en las fases más profundas del sueño.
Conforme avanza la noche y cada 90 minutos se van repitiendo los ciclos, pero disminuyen los tiempos destinados a las Fases 3 y 4 y aumentan el de la Fase REM, durante la que realizamos los sueños, sin embargo el sonambulismo, el hablar dormido y los miedos nocturnos ocurren básicamente en las fases 3 y 4, donde predominan las ondas delta y la mayor profundidad del sueño.
A lo largo de la vida el patrón inicial del sueño sufre variaciones, siendo mucho más profundo y más extenso entre los 0 y los 3 años, reduciéndose poco a poco hasta la pubertad, se estabiliza durante la juventud y la vida del adulto, hasta hacerse más ligero y superficial a partir de los 65 años.
La fase REM sin embargo se mantiene bastante estable desde la infancia hasta el final de la vida y ocupa al menos el 20 - 25% del tiempo de descanso, a pesar de que pueda disminuir tanto la profundidad como la duración total del sueño.
Conforme el sueño progresa se va produciendo una serie de limitaciones en la recepción de la información sensorial que ayudan a dormir. El bloqueo de los sentidos y la parálisis muscular impiden que representemos físicamente aquello que soñamos. Estas limitaciones se vuelven más intensas cuanto más profundo es el sueño, por ello el despertar durante esas fases y especialmente en la fase REM, donde se producen los sueños, provoca gran desorientación y confusión.