REM睡眠期间脑部消耗的能量，会发现它等于或超过清醒时的能量耗耗。与之相比，非睡眠的能耗要低11-40%。
脑化学活动.和慢波睡眠相比，异相睡眠和清醒状态一样都伴随着神经递质乙酰胆碱的大量利用，会导致较快的脑波。与此同时，单胺类神经递质，包括组织胺、血清素和去甲肾上腺素则几乎完全消失。注射可以提高乙酰胆碱的有效含量，能够诱使已经进入慢波睡眠状态的人或动物进入REM睡眠。而在神经元中模拟乙酰胆碱作用的也可以起到类似的作用。对于清醒状态下的人来说，只有在单胺类神经递质耗尽时注射乙酰胆硷