El sueño REM, sueño desincronizado o paradójico como también se le conoce por estar el encéfalo bastante activo y la persona no despertarse. Además este sueño aparece entre 5 y 30 minutos por cada 90 minutos de sueño de ondas lentas.

Cuando la persona tiene mucho sueño el periodo REM se acorta y puede faltar y a medida que la persona va descansando a lo largo de la noche se va incrementando.

Normalmente ocupa un 25 % del tiempo de sueño en el adulto joven. Se caracteriza por:

- Estar el tono muscular de todo el cuerpo muy relajado, lo que indica una inhibición de las proyecciones espinales procedentes de zonas excitadoras del tronco encefálico.

- El electroencefalograma (EEG) muestra un patrón de ondas cerebrales similares al de la vigilia, donde el encéfalo está muy activo y el metabolismo cerebral aumenta hasta un 20 %.

- Se hace difícil despertar a la persona mediante estímulos sensoriales y, sin embargo, las personas se despiertan en la mañana en un periodo de sueño REM.

- Hay inhibición de los músculos periféricos, pero se producen movimientos musculares irregulares. Esta inhibición muscular es la que evita que la persona actúe según su sueño.

- En su primera fase aumenta la actividad onírica.

- Aumento de la resistencia eléctrica de la piel.

- Aumenta ligeramente la motilidad del aparato digestivo.

- Se producen erecciones en el hombre y aumento del flujo sanguíneo vaginal en la mujer.

La frecuencia cardiaca y la frecuencia respiratoria se hacen irregulares.

Parece haber un centro por debajo del nivel protuberancial medio que es el causante del sueño inhibiendo otras partes del encéfalo. También se ha identificado un gen que es el causante del sueño normal, además de otros genes que determinan enfermedades que perturban el sueño.

Sin embargo no se sabe por qué el sueño de ondas lentas es interrumpido por periodos REM, pero, fármacos que imitan la acción de la acetilcolina aumentan la aparición del sueño REM.