El análisis electrofisiológico ha sido fundamental para definir y caracterizar diversas etapas durante el dormir, el soñar y la vigilia. Ubicando electrodos en la superficie del cuerpo y en posiciones bien definidas se puede conocer la actividad eléctrica del cerebro, del encéfalo (electroencefalograma o EEG), la de los músculos oculares (electro-oculograma o EOG), la de los músculos esqueléticos del cuerpo o electromiograma (EMG).

La actividad eléctrica del encéfalo corrientemente se le identifica con la actividad eléctrica cerebral. Se le registra en sujetos adultos en estado relajado, con los ojos cerrados. Se ubica un electrodo llamado activo, que se puede fijar en diferentes regiones del cráneo, y otro de referencia, por ejemplo en el pabellón de la oreja. Se agrega un tercer electrodo, el electrodo de tierra por estar conectado a tierra, que se coloca, por ejemplo, en el mentón y que permite eliminar corrientes expureas y mejorar el registro del electrodo activo. Todos estos electrodos se conectan a un sistema de preamplificación y de registro que permiten ver ondas eléctricas aisladas o conjuntos (trenes) de ellas. En reposo se distinguen los siguientes ritmos:

• Ondas alfa (a): 8-13 Hz de frecuencia y de alrededor de 50 mV de amplitud.
• Ondas beta (b): 14-30 Hz y de amplitud muy baja.
• Ondas delta (d): 4-8 Hz y de amplitud muy baja.
• Ondas gama (g): frecuencia menor a 3 Hz y de amplitud muy baja.

La etapa de entrada al estado de sueño o de dormir se le designa también etapa I y se le considera como un límite entre el estado de vigilia y el dormir. En esta etapa predomina el ritmo a el cual tiende a enlentecerse y a mostrar la presencia de ondas llamadas teta que son de mayor amplitud. Los movimientos oculares son lentos y el tono muscular desciende. La fase I es de corta duración y ocupa alrededor de 3-5% del dormir.

La etapa II es de dormir ligero pero de ondas lentas y el EEG es irregular, 2-7 Hz, presenta espigas de ondas (grupos de frecuencias de más o menos 7 Hz) y/o los llamados complejos K, que son ondas lentas bifásicas. El tonus muscular es bajo y las funciones vegetativas son bajas pero regulares.

En los estados III y IV, el sueño se hace lento y profundo. Se les considera etapas muy importantes desde el punto de vista funcional. Las ondas del EEG son muy lentas y predominan las ondas d o g.