醒和REM睡眠期间的皮质都会出现乙酰胆碱，但是REM睡眠期间，脑干的乙酰胆碱的浓度要更高一些。而食欲素和γ-胺基丁酸的减少可能会导致其他兴奋型神经递质的消失。在1990年代使用正电子发射计算机断层扫描进行的研究中，证实了脑干的作用，同时表明前脑中的边缘系统和，也就是和情绪相关的区域，会比其他区域更活跃。在REM睡眠中激发的区域，和非REM睡眠中激发的区域大致互补。
眼球的运动.“快速眼动期”中，大部分的其实都比清醒时运动得要慢。它们持续的时间也较短，会更经常地转一圈之后转回运动