Khoa học thần kinh giấc ngủ
Sự vận hành của não bộ trong quá trình ngủ > Biến đổi điện hóa trong giấc ngủ REM

Bài chi tiết: Giấc ngủ mắt chuyển động nhanh
Giai đoạn REM (giấc ngủ REM – chiếm 20–25% tổng lượng giấc ngủ của một người trưởng thành): Giấc ngủ REM là trạng thái mà hầu hết các cơ bắp đều bị tê liệt, và nhịp tim, nhịp thở và nhiệt độ trở nên không ổn định, thất thường và không đều. Hệ thống các tế bào thần kinh sẽ kích hoạt giấc ngủ REM, thông qua sự phóng thích ra các phân tử dẫn truyền acetylcholine, và ngược lại sẽ bị ức chế khi giải phóng các monoamine bao gồm có serotonin. REM được xem là giấc ngủ nghịch thường bởi do là EEG của người ngủ biểu hiện ra những sóng não mang tần số cao tương đương với trạng thái thức, và là giai đoạn khó bị đánh thức hơn các giai đoạn giấc ngủ khác. Buổi sáng thức dậy thường là vào giấc ngủ này, pha REM tăng dần theo thời gian và đạt đỉnh lúc sáng sớm. Các dấu hiệu sinh tồn đã chỉ ra rằng động học não và mức độ tiêu thụ oxy thậm chí còn cao hơn cả lúc thức. Giấc ngủ REM đặc trưng bởi sự tăng cường lưu thông khối lượng máu lưu hành qua toàn bộ não, điều mà cứ ngỡ rằng chỉ có ở trạng thái thức. Sự thật là như vậy, khi nhiều vùng vỏ não được các chuyên gia lĩnh vực thần kinh học tiến hành kỹ thuật ghi lại lưu huyết não, và phát hiện được rằng là thể tích dòng máu chảy qua não trong giấc ngủ REM nhiều hơn khi thức giấc – các khu vực máu lưu chuyển gồm có là hồi hải mã, liên vùng thái dương-chẩm, một số vùng vỏ não, và phần nền não trước. Hệ viền và cận viền trong đó có cấu trúc phức hợp hạnh nhân là khu vực thần kinh cũng hoạt động trong tiến trình giấc ngủ REM. Dù rằng là điện thế hoạt động của não trong giấc ngủ REM rất giống với trạng thái thức tỉnh, tuy nhiên điểm cốt lõi để tạo ra sự khác biệt đó chính là tính hưng phấn của mô thần kinh, tức là khả năng đáp ứng lại với kích thích của môi trường trong REM kém nhạy hơn so với khi thức, và đồng nghĩa với việc tính ức chế lấn át hơn. Tất cả những điều này, cùng kết hợp với hiện tượng dập tắt tạm thời của các nơron thuộc sợi monoaminergic trong não bộ, là những bằng chứng xác đáng và vững chắc nhất cho thấy rằng giai đoạn ngủ REM đang diễn ra.
Một đứa trẻ sơ sinh dành khoảng từ 8 đến 9 tiếng một ngày cho giấc ngủ REM. Khi trẻ đã 5 tuổi trở lên, lượng thời gian thu hẹp lại chỉ cỡ khoảng 2 tiếng. Giới khoa học hiện tại vẫn chưa thể biết chắc chắn rằng ý nghĩa sinh học thật sự của giấc ngủ REM là như thế nào, nhưng không còn nghi ngờ gì nữa về việc thiếu hụt nó sẽ làm tổn hại đến khả năng học các công việc, nhiệm vụ phức tạp. Tình trạng tê liệt các cơ và mất trương lực trong giấc ngủ REM đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các loài sinh vật khỏi nguy cơ tự làm hại bản thân, qua các hành vi liên quan tới các giấc mơ sống động thường hay xảy ra trong giai đoạn này.
Trong bản ghi EEG, như đã đề cập ở trên thì trong giấc ngủ REM não bộ có khuynh hướng hoạt động, khi hiện diện các sóng não với tần số cao, cùng biên độ thấp và những đợt tự phát của các sóng beta và gamma (cũng đặc trưng cho lúc thức). Các mạch nơron vỏ-đồi chính là ứng cử viên hàng đầu cho việc tạo ra các sóng vận động nhanh này, chúng phát xung thần kinh vừa nhanh và vừa có tính tạo nhịp. Không như là giấc ngủ sóng chậm, nhịp dao động REM được đồng bộ hóa trong những vùng giới hạn, đặc biệt ở những mạch nơron cục bộ giữa cấu trúc giải phẫu đồi-vỏ và vỏ não mới. Tại cấu trúc thân não cho các con đường cholinergic lên các cấu trúc dưới vỏ và cả vỏ não, được cho là đóng vai trò quan trọng tạo ra các sóng tín hiệu tần số cao này.
Bên cạnh đó, hạch hạnh nhân – được coi là trung tâm xử lý các tín hiệu xúc cảm của não – cũng đóng vai trò trong việc điều hòa hoạt động thần kinh trong giấc ngủ REM, đồng thời củng cố thêm cho giả thuyết rằng giấc ngủ REM thúc đẩy cho việc lưu chuyển các luồng thông tin bên trong, biến đổi xử lý sao cho phù hợp với những gì được xem là cần thiết. Sự vận hành tín hiệu điện thế một cách mạnh mẽ trong cấu trúc này có thể là nguyên nhân gây ra các đáp ứng tình cảm trong giấc mơ. Tương tự như thế, hiện tượng những loại giấc mơ kỳ quái và lạ thường có thể do sự suy giảm hoạt động của vùng vỏ não trước trán –  liên quan đến chức năng tích hợp thông tin, lưu giữ dấu vết tín hiệu và hình thành trí nhớ tình tiết (episodic memory).