Mediante técnicas electrofisiológicas y neuroquímicas ha sido posible caracterizar los cambios funcionales asociados a los estados del sueño REM y correlacionarlos con el proceso de soñar.

El fenómeno del sueño REM depende de la actividad de una red neuronal compleja cuyas células están distribuidas en diferentes regiones del sistema nervioso: corteza cerebral, tálamo, cerebro medio, puente, bulbo raquídeo y médula espinal.

El sueño REM se caractereiza por la desincronización del EEG, por la presencia de movimientos oculares rápidos, por la aparición de atonía y de sacudidas musculares. La desincronización mencionada se ha relacionado con un aumento de los potenciales de acción de las neuronas del tálamo, de la corteza cerebral y de la formación reticular (circuito puente-geniculado-corteza occipital).

La descarga de las neuronas de la formación reticular y del núcleo vestibular provocan los movimientos oculares rápidos. Por otro lado, neuronas también de la formación reticular bloquean a la células motoras de la médula espinal provocanndo la atonía. Las descargas esporádicas ocurren porque neuronas excitadoras de la formación reticular y del tracto piramidal ocasionalmente sobrepasan la inhibición a que están sometidas las motoneuronas espinales.

Los cambios indicados se relacionan con una disminución de la excitación sensorial que ocurre a nivel central, produciéndose una disminución de la percepción externa mientras que los estímulos internos están aumentados.

No se fija la atención y la memoria reciente esta disminuida pero la lejana esta aumentada. El estado emocional esta episodicamente aumentado. Sin embargo, todos estos estados se traducen en una conducta motora (movimientos) muy pobre. Como baja la entrada de información sensorial, las representaciones internas del medio ambiente y las respuestas que se asocian a ellas (pero que no se ejecutan) se transforman en estímulos.