脑电波在睡眠和觉醒状态下存在显著差异。根据脑电图记录的脑电频率和幅度的不同，通常可以将其分为delta(δ)、theta(θ)、alpha(α)、beta(β)和gamma(γ)五个频率段。
睡眠存在两种类型，即非快速眼球运动(NREM)睡眠和快速眼球运动(REM)睡眠。NREM睡眠可细分为NREM 1期、NREM 2期、NREM 3期、 NREM 4期。2007年，AASM将NREM3期与4期睡眠合称为NREM3期睡眠。
NREM 睡眠1期：脑电图中，α波解体，出现低波幅θ波和β波，但以θ波为主，双侧顶部出现特征性顶尖波。此时，人对周围环境的注意力已经丧失，处于意识不清醒状态。
NREM 睡眠2期：在低波幅混合波基础上，出现睡眠梭形波(100~300ms，100~300uV，频率12-14Hz)，或出现K复合波，δ波＜20%。全身肌张力显著降低，但易被唤醒。
NREM 睡眠3期：该期出现中或高波δ幅波（0.5-2Hz，峰-峰值＞75μv），δ波比例≥20%，可以有睡眠梭形波。此时肌张力低下，受检者处于深睡眠期，难被唤醒。
REM 睡眠期：去同步化低波幅混合频率波，间断出现α波，可以出现锯齿波。眼电活动显著增强(50-60Hz)。肌电活动显著下降甚至消失，呈姿势性肌张力迟缓状态。
正常成人整夜睡眠中NREM睡眠与REM睡眠交替发生。一般成年人每晚约4-6个睡眠周期。整个夜间睡眠的后半程，深度NREM睡眠逐渐减少，REM睡眠时间逐渐延长。
睡眠的发育特征：人类睡眠结构与年龄关系密切。新生儿最开始为不典型电活动状态，随后出现交替型脑电图。出生2-3个月后交替型脑电图消失，6个月后出现自发K-复合波，1岁后，其纺锤波及α节律分化良好，可区分NREM睡眠的三期变化，从此正式使用 REM睡眠和NREM睡眠的分期。在所有物种中，REM睡眠在生命早期占重要地位，在个体发生学上，REM睡眠被认为是原始睡眠，当NREM睡眠与觉醒随着个体成熟而出现时，REM睡眠时间就减少。成人深睡眠保持在15%~20%，REM睡眠保持在20%~25%。
睡眠相关的神经递质：
①清醒时位于中逢背核的5-HT能神经元兴奋，非快速眼球运动(NREM)睡眠期兴奋性降低，并在快速眼球运动(REM)睡眠期进一步降低。
②蓝斑的去甲肾上腺素能神经元在清醒时兴奋，NREM睡眠期兴奋性降低，REM睡眠期不兴奋。
③结节乳头核的组胺能神经元在清醒和猝倒发作时兴奋。
④REM-on区域的胆碱能神经元在REM睡眠时兴奋。
⑤wake/REM-on区域的胆碱能神经元在清醒和REM睡眠时兴奋。
⑥腹外侧视前核的神经元含GABA和甘丙肽(galanin),睡眠时兴奋,清醒时不兴奋。
⑦下丘脑外侧和后侧的下丘脑分泌素神经元投射至大脑负责控制睡眠和清醒的很多重要区域，它们对清醒和睡眠之间的转换起稳定作用。
睡眠发生机制：
（一）觉醒系统
一般认为，觉醒状态的维持与网状结构上行激活系统及其他脑内觉醒系统活动有关。其他觉醒系统包括蓝斑去甲肾上腺素能、背缝核5-羟色胺能、黑质多巴胺能、结节乳头体核组胺能神经元和外侧下丘脑区的 orexin能神经元系统等。
（二）NREM睡眠发生系统
NREM睡眠发生系统包括下丘脑的腹外侧视前区(VLPO)和下丘脑内侧视前核(MPN)。
另外，脑干内背侧网状结构和孤束核可能存在NREM睡眠相关神经元。孤束核主要通过影响与睡眠发生和自主神经功能有关的边缘前脑结构的功能而发挥作用。
各脑区的GABA被视为主要的促进 NREM睡眠发生的递质受体系统，因此，GABA受体成为镇静、催眠和麻醉的主要靶标。
（三）REM睡眠发生系统
REM睡眠启动的关键部位在脑干，尤其是脑桥和中脑附近的区域。
通过微电极记录神经元的电位活动，在这些区域鉴定出两类神经元:一类称为REM睡眠启动(REM-on)神经元。另一类神经元则恰好相反，称为REM关闭(REM-off)神经元。
在REM睡眠的发生和维持机制，以及REM睡眠和NREM睡眠、REM睡眠和觉醒状态的相互转化过程中，GABA、胆碱能REM-on和NA、5-HT能REM-off神经元起着十分关键的作用。它们之间存在着相互的纤维联系，彼此影响，构成了一个复杂的网络整体结构。
睡眠的生理功能：
（一）保存能量
慢波睡眠期人体各种生命活动降至最低程度。基础代谢维持在最低水平，耗能最少，此时副交感神经活动占优势，合成代谢加强，有助于能量的贮存。
（二）促进代谢产物排出
白天大脑脑内代谢产物不断积聚，睡眠时大脑可高效清除代谢产物，从而恢复脑活力。
（三）增强免疫功能
许多人在发生感染时常会有思睡的现象，充足的睡眠有助于从感染中康复。正常的睡眠对于保障机体的免疫系统功能正常十分重要。
（四）促进生长发育功能
正常成人24小时中垂体生长激素分泌高峰在进入睡眠后很快出现。慢波睡眠期是影响生长激素分泌的主要时期，因此良好的睡眠是保证生长发育的关键。
（五）增强学习记忆
记忆过程包括获得(学习)、巩固、贮存与提取几个过程。睡眠期间也具有获得新信息即学习的能力。如果努力学习一段时间后，立即进入睡眠状态，对于所学内容的记忆有加强作用。因此，记忆巩固依赖于学习后的睡眠。
