在睡眠过程中，脑电图发生各种不同变化，这些变化随着睡眠的深度而不同。根据脑电图的不同特征，又将睡眠分为两种状态：非眼球快速运动睡眠（又称正相睡眠、慢波睡眠、同步睡眠、安静睡眠、NREM睡眠）和眼球快速运动睡眠（又称异相睡眠、快波睡眠、去同步化睡眠、活跃睡眠、REM睡眠，还称雷姆期睡眠），两者以是否有眼球阵发性快速运动及不同的脑电波特征相区别。
非眼球快速运动睡眠阶段，全身肌肉松弛，没有眼球运动，内脏副交感神经活动占优势。心率、呼吸均减慢，血压降低，胃肠蠕动增加，基础代谢率低，脑部温度较醒觉时稍降低，大脑总的血流量较醒觉时减少。
非眼球快速运动睡眠以其脑电图特征分为四期：第一期，脑电波以0波为主，不出现纺锤波或K-综合波，实际上是由完全清醒至睡眠之间的过渡阶段，对外界刺激的反应减弱，精神活动进人飘浮境界，思维和现实脱节；第二期，脑电波为纺锤波与K- 综合波j波少于20%，实际上人已经进人了真正的睡眠，而属于浅睡第三期，脑电波3波占20% ~ 50%，为中等深度睡眠；第四期，脑电波心波占50%以上，属于深睡，不易被唤醒。
眼球快速运动睡眠阶段，出现混合频率的去同步化的低波幅脑电波。眼球快速运动，面部及四肢肌肉有很多次发作性的小抽动，有时或出现嘴唇的吸吮动作，喉部发出短促声音，手足徐动，内脏活动高度不稳定，呼吸不规则，心率经常变动，胃酸分泌增加，有时阴茎勃起，脑各个部分的血流量都比醒觉时明显增加；而以间脑和脑干最为明显，大脑则以海马及前联合一带增加较多，脑耗氧量也比醒觉时明显增加。
人的睡眠，一夜中大约有4 ~ 6个睡眠周期出现，互相连接，周而复始。首先，从上床就寝到开始入睡之间的时间，我们称之为入睡潜伏期，成年人一般为20 ~ 23分钟。然后进入NREM睡眠第一期，大约经过0。
5〜7分钟，即迸人NREM睡眠第二期；30 ~ 38分钟后，进人NREM睡眠的第三期及第四期（合称3睡眠），持续约数分钟至1小时；再回到NREM睡眠第二期；大约在开始人睡后70 ~ 90 分钟，进人REM睡眠，通常只有5分钟左右；接着再回到NREM 睡眠第二期，也即第二个睡眠周期的开始。
从第二个睡眠周期开始，彡睡眠逐渐缩短，而REM睡眠逐渐延长，每隔90分钟左右为一个周期；后半夜NREM睡眠第四期、第三期越来越少，渐至第四期消失；而REM睡眠甚至可达60分钟，且其生理表现（眼球快速运动）和心理表现（做梦）也越来越强烈。
一般年轻人在一夜的睡眠中，NREM睡眠第一期约占5% ~ 10%，第二期约占50%,第三期及第四期共占约20%，REM睡眠约占20% ~ 25%。 从儿童期到老年期，随着生长、发育渐至衰老，REM 睡眠和NREM睡眠第三期、第四期逐渐减少，60岁以后基本上没有NREM睡眠第四期，夜间醒转的次数增加。
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