As evidências neurofisiológicas indicam que o sono não se constitui apenas em uma espécie de repouso cerebral, mas também em estágios distintos de atividade neuronal.

Aproximadamente 90 minutos após o início do sono, várias mudanças fisiológicas abruptas podem ocorrer. O EEG se torna desincronizado, mostrando baixa-voltagem, um padrão de atividade rápido, similar, mas não idêntico, àquele do estado de alerta. Como resultado, este estado de sono tem também sido chamado de sono paradoxal, sono ativo, e sono desincronizado.

Os estágios básicos do sono, por convenção, são divididos em dois tipos principais: REM (Rapid Eyes Movement, o sono dos sonhos) e Não REM (NREM). Estes dois tipos são geralmente quebrados em cinco estágios: um, dois, três, quatro e REM. Em cada estágio, as ondas cerebrais se tornam progressivamente maiores e mais lentas, e o sono se torna mais profundo. Após alcançar o estágio 4, o período mais profundo, o padrão se reverte e o sono se torna progressivamente mais leve até o sono REM, o período mais ativo, ocorrer.

Este ciclo ocorre tipicamente aproximadamente uma vez a cada 90 minutos. Aproximadamente 75% do sono total é gasto em sono não-REM. Uma boa noite de sono depende do equilíbrio apropriado destes componentes.

Quando o indivíduo torna-se sonolento, as ondas alfa e beta vão gradualmente cedendo espaço para outras ondas de baixa amplitude conhecidas como ondas teta (quatro a sete por segundo). No sono leve, as ondas teta predominam e há o aparecimento dos chamados fusos do sono (feixes de atividade elétrica sincronizada de 12 a 17 HZ).

À medida que as fases se sucedem, o sono torna-se cada vez mais profundo, e o indivíduo torna-se cada vez menos reativo aos estímulos sensoriais.

O que são "ondas" cerebrais?

No cérebro, a somatória da atividade elétrica de milhões de neurônios, principalmente no córtex, podem ser observadas no eletroencefalograma (EEG), um aparelho que registra a atividade elétrica das células do cérebro durante os diversos estados em que se encontra uma pessoa, desde a vigília até o sono profundo.

As células nervosas apresentam diferenças de potencial elétrico em relação ao líquido em que está mergulhada. Potencial de ação refere-se a uma breve flutuação de cargas elétricas na membrana do neurônio, causada pela rápida abertura e fechamento de canais iônicos dependentes de voltagem (fluxo de íons).

Potenciais de ação percorrem como ondas os axônios dos neurônios, para transferir informação de um lugar a outro no sistema nervoso. Uma onda pode ser de alta ou baixa amplitude (voltagem) e alta ou baixa frequência (regularidade).

	Ondas beta (baixissima amplitude, alta frequência; 13 a 30 ondas/seg)	Pessoa acordada e ativa (em estado de vigília). São as ondas mais rápidas e sinaliza um córtex ativo e intenso estado de atenção. Registro irregular (dessincronizado).
	Ondas alfa (baixa amplitude, 8 a 13 ondas /seg)	Pessoa acordada e relaxada, com os olhos fechados. Os neurônios estão disparando em tempos diferentes. Registro regular (sincronizado).
	Ondas Teta (baixa-média amplitude, spike-like waves; 3-7 ondas/seg)	Pessoa sonolenta ou adormecida, sono de transição. It can be observed in hippocampus. Theta rythm is also oberved in REM sleep. Because the hippocampus is involved in memory processing, the presence of theta rythm during REM sleep in that region of the brain might be related to that activity.
	Ondas delta (alta amplitude, baixa frequência; 3 ondas /seg)	Pessoa em sono profundo. Os neurônios, os quais não estão engajados no processamento de informação, estão disparando todos ao mesmo tempo, portanto a atividade está sincronizada. As ondas são grandes e lentas.
	Rem 60 a 70 ondas/seg	Maximal retraction of the pupil and nictating membrane accompany the volleys of ocular movements