脳は活動状態にあり,7~8 Hzの規則正しい脳波が現れる.筋活動は完全に消失するが,急速眼球運動 (rapid eye movement)が頻繁に発生し,自律神経系も大きく変動する.睡眠中にもかかわらず,脳は覚醒時に近い状態にあるため,逆説睡眠ともよばれる.正常な睡眠過程では,徐波睡眠の後にレム睡眠が現れる.