。在此睡眠阶段中，眼球会快速移动，同时身体肌肉放松。快速眼动睡眠也被称作异相睡眠（）或者去同步睡眠（），因为在这个阶段，大脑的神经元的活动与清醒的时候相同，呈现快速、低电压去同步化的脑电波。控制REM睡眠的电化学活动似乎源于脑干，其特征为大量的神经递质乙酰胆碱，同时伴随着单胺类神经递质，包括组织胺、血清素和去甲肾上腺素的几乎完全消失。多数在醒来后能够回忆得栩栩如生的梦都是在REM睡眠发生的。由于REM睡眠在生理学上与其他睡眠阶段极为不同，因此REM以外的睡眠阶段被称为「非REM睡眠」（NREM）。在一个