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睡眠看似是一个静态过程，实则由两个交替出现的不同时相组成，一个是慢波睡眠（又称非快速眼动睡眠），另一个是异相睡眠（又称快速眼动睡眠），二者的功能有所区分，前者是用于恢复体力，后者是为了恢复脑力。
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慢波睡眠
慢波睡眠可分为四个不同的期，这四个期代表了睡眠由浅入深的过程。
据相关资料显示，第一期常出现于睡眠伊始和夜间短暂苏醒之后，属于低电压脑波，频率快慢混合，通常达到4～7周/秒。第二期同样为较低电压脑波，但中间插入了短串的12～14周/秒的睡眠梭形波和K复合波，它是慢波睡眠的主要组成，这一期代表浅睡过程。第三期的脑电图常有短暂的高电压波（δ波），超过50微伏，频率可达1～2周/秒。第四期的脑电图以高电压波（δ波）为主，δ波出现时间占总时间的50%以上，这一期代表深睡状态。
当人脑进入第四期状态时，会出现意识逐步丧失、血压略降、心率呼吸减慢、瞳孔缩小、体温和代谢率下降、尿量减少、胃液增多、唾液分泌减少、发汗功能增强等表现，使身心逐渐消除疲劳，恢复精力。
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异相睡眠
当大脑处于异相睡眠中，脑电图呈现快频低压电波，有点像清醒时的脑波，会出现某些激动反应，如自主神经系统活动增强，频繁出现快速的眼球运动、心率和呼吸加速、血压升高、脑血流及耗氧量均增加、男性阴茎勃起、翻身时面部和指（趾）端肌肉不时抽动等，人还会做梦。
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睡眠时相的转换
慢波睡眠与异相睡眠并非单独出现，二者能互相转换。以成人为例，在入睡后首先进入慢波睡眠，顺序为1期→2期→3期→4期→3期→2期等，时间大约在70～120分钟。在此基础上，又转入异相睡眠，持续时间为5～15分钟，再转入慢波睡眠，如此周而复始地进行下去，可以完成4～6次转换。在整个睡眠过程中，慢波相时程逐次缩短，以第二期为主，约占睡眠全时的80%；异相睡眠逐次延长，占睡眠全时的20%。