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睡眠是人类的主要生理活动之一，人一生中约1/3的时间是在睡眠中度过的。睡眠时脑功能状态呈现显著周期性变化，睡眠常被分为不同时期。正常成年人整夜的睡眠较为稳定，体现出特定的睡眠结构。本节将简要介绍人类睡眠分期、睡眠发育特征和不同物种间睡眠的差异。
睡眠分期主要依赖于脑电记录技术的发展。早在1875年，英国生理学家Richard Caton第一次从家兔和猴脑上记录到电活动。1929年，德国精神病学家Hans Berger首次记录到了人类的脑电波，并发现人类脑电波在睡眠和觉醒状态下存在显著差异，自此人们开始了客观认识睡眠的过程。1953年，美国芝加哥大学的Eugene Aserinsky和Nathaniel Kleitman在研究婴儿睡眠时发现，婴儿在安静睡眠后出现周期性快速眼球运动。随之证明快速眼球运动时的脑电波与觉醒时的类似，这一发现明确肯定了人类睡眠存在两种类型，即非快速眼球运动（non rapid eye movement，NREM）睡眠和快速眼球运动（rapid eye movement，REM）睡眠。目前，可以根据多导睡眠图、眼动图和肌电图（electromyography，EMG）手段明确区分NREM睡眠与REM睡眠。
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。
1．delta（δ）节律 频率范围为0.5～3.5Hz，幅度为100～200μV，在颞叶、枕叶较显著。δ节律主要出现在深睡眠或昏迷期。此时，皮质失去感觉输入，即皮质活动与丘脑活动分离。
2．theta（θ）节律 频率范围为4～7Hz，幅度为50～100μV，在颞叶、顶叶较显著。θ节律主要出现在浅睡眠期（NREM睡眠第2期）。
3．alpha（α）节律 频率范围为8～13Hz，幅度为30～50μV，在枕叶较显著。α节律在成人闭眼、放松的觉醒状态下出现。
4．beta（β）节律 频率范围为13～30Hz，幅度为30μV，在额叶、顶叶较明显。β节律主要出现于脑活动活跃状态，如主动思考时。
5．gamma（γ）节律 频率范围＞30Hz，无特定幅度范围。γ节律可能与意识和知觉有关，即联系不同脑区的输入信息形成相关的概念，它是皮质-皮质和皮质-丘脑-皮质环路活动的反映。有证据表明，γ节律起源于快放电型的γ氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能中间神经元。
睡眠分为NREM睡眠和REM睡眠。生理学上，一般习惯根据睡眠深度的不同，将人类NREM睡眠细分为以下4期。
1．NREM睡眠1期 脑电图中，α波波幅普遍降低，波形不整，连续性差，后期频率可稍慢，出现低幅θ波和β波，但以θ波为主。本期人对周围环境的注意力已经丧失，处于意识不清醒状态。
2．NREM睡眠2期 在低幅脑电波的基础上，出现周期为100～300毫秒、波幅为100～300μV“纺锤波”（亦称双顶峰波、顶尖波或中央尖波）。本期人全身肌张力降低，几乎无眼球运动。
3．NREM睡眠3期 该期开始出现中或高幅δ波，但δ波所占比例在50%以下。肌张力进一步受抑制。本期受检者睡眠程度加深，不容易被唤醒。
4．NREM睡眠4期 该期δ波的波幅进一步增加，频率变慢且不规则，δ波所占比例超过50%。本期受检者处于深度睡眠，肌张力低下，难被唤醒。
一般而言，人类NREM睡眠1～2期称为浅NREM睡眠，NREM睡眠3～4期为深NREM睡眠，NREM睡眠3～4期又称为慢波睡眠（slow wave sleep，SWS），成年人绝大部分的深NREM睡眠出现在上半夜，而下半夜则以浅NREM睡眠为主。健康年轻人每天平均睡8小时左右，深度NREM睡眠的总时间平均不超过“全夜睡眠总时间”的15%～20%。动物的NREM睡眠不被明确区分，整个NREM睡眠基本等同于人类慢波睡眠。
REM睡眠脑电活动的特征与觉醒期相似，呈现低波幅混合频率波及间断出现θ波，但REM睡眠时眼电活动显著增强（50～60Hz），肌电活动显著下降甚至消失，尤其颈后及四肢肌肉的抑制更显著，呈姿势性肌张力弛缓状态，由此可以与觉醒相区别。根据是否存在眼球运动，REM睡眠可以分为两种不同类型即时相性REM睡眠（以快速眼球运动大量出现为特征）和紧张性REM睡眠（不出现快速眼球运动）。
正常成年人整夜睡眠中NREM睡眠和REM睡眠交替发生。睡眠是从觉醒状态首先进入NREM睡眠，从1期开始，1期持续3～7分钟，然后进入2期，2期持续10～25分钟，接着进入3～4深睡眠期，此期从几分钟到一小时不等。深睡眠期结束后，睡眠又回到2期或1期（浅睡眠期）。然后转入第一次REM睡眠，完成第一个睡眠周期。第一个睡眠周期的REM睡眠通常持续时间短暂，为5～10分钟。随后又顺序地从NREM睡眠开始，从浅（1、2期）—深（3～4期）—浅（1、2期），进入第二次REM睡眠。从一个REM睡眠至下一个REM睡眠平均相隔时间为90分钟，婴儿的时间间隔约为60分钟。一般成年人每晚有4～6个上述周期。在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。
值得注意的是，除NREM睡眠与REM睡眠的循环交替外，NREM睡眠阶段的各期与REM睡眠均可以直接转变为觉醒状态。但健康成年人不会直接由觉醒状态进入REM睡眠期，而只能先转入NREM睡眠期，再进入REM睡眠期。
睡眠中的脑电循环交替模式（cyclic alternating pattern，CAP）是指在NREM睡眠期出现的一种周期性脑电变化。1982年，意大利医师MG Terzan等首先提出了“脑电循环交替醒觉反应模式学说”，CAP不同于美国睡眠医学会（American Academy of Sleep Medicine，AASM）提出的脑电醒觉反应概念，其基本观点是将脑电醒觉反应看作一个动态过程并包含一系列不同的成分。CAP反映了睡眠生理学与睡眠病理学的微观结构，能够反映睡眠的稳定性。CAP的判定规则如下：
1．连续出现≥2次的CAP周期时，才可判定CAP。
2．每个CAP周期中包含A、B两部分，A部分为脑电醒觉反应复合体（arousal complex），B部分为脑电醒觉反应后期（post-arousal interval）。其中，CAP的A部分又分为3个亚型。A1亚型：主要为慢频率脑电波（集团性出现的K-复合波和δ波），伴有肌电活动和心率、呼吸频率的轻度增加；A2亚型：慢频率脑电波（集团性出现的K-复合波和δ波）和快频率脑电波（α波和β波）混合存在，伴有肌电活动和心率、呼吸频率的中度增加；A3亚型：主要为快频率脑电波（α波和β波），伴有肌电活动和心率、呼吸频率的显著增加。
3．CAP的判定独立于R&K的睡眠分期，但判定前需要进行常规睡眠分期。
4．CAP中相邻两个A部分之间的时间间隔为2～60秒，超过60秒则应判定为非CAP。
CAP主要见于NREM睡眠期，不同的NREM睡眠期A部分成分不同：NREM睡眠1期为间断出现α波和连续的颅顶尖锐波；NREM睡眠2期为连续出现≥2个的K-复合波或K-复合波后续α波或β波；NREM睡眠3期为连续出现的δ波。REM睡眠期的CAP仅见于一些重症睡眠疾病者，其A部分均为A3亚型。
CAP分析法能够更准确地反映患者的睡眠紊乱程度。NREM睡眠期CAP发生率与年龄呈U型曲线关系，年轻人发生率最低，而儿童与老年人发生率均显著增高。CAP用于分析阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome，OSAHS）睡眠紊乱时，对于判断入睡期生理状态的不稳定性参与OSAHS的病理生理过程有重要意义，而由A1向A3的过渡过程，是脑电由同步化向非同步化转换的过程，反映了脑由深睡眠向醒觉的移行过程。如严重睡眠呼吸暂停事件后的脑电醒觉反应不仅终止了呼吸暂停事件，也避免了危及患者生命的严重呼吸暂停的发生。原发性失眠患者的CAP比例增加，其中在NREM睡眠1期与2期增加尤为明显，但是在NREM睡眠3期、4期没有变化。此外，CAP比例反映觉醒不稳定状态，且与主观感觉睡眠质量呈负相关，CAP率越高，睡眠质量就越差，可作为主观性失眠的标识。因此，不同的睡眠事件均可诱发脑电活动发生改变，这种变化伴有逐步递增的醒觉反应，可以通过CAP进行量化评估。CAP为进一步提高对于睡眠生理和睡眠紊乱的认识提供了新的途径。
人类睡眠结构与年龄关系密切。胎儿几乎都处于睡眠状态。新生儿最开始为不典型电活动状态，随后出现高波幅混合频率的活动（交替型脑电图），缺乏纺锤波和α节律。出生2～3个月后交替型脑电图消失，6个月出现自发K-复合波，1岁后，其纺锤波和α节律分化良好，可区分NREM睡眠的四期变化，从此正式使用REM睡眠和NREM睡眠的分期。
幼儿在3～5岁时，随着大脑皮质结构和功能的发育完善，高幅慢波的脑电活动达到最高比例，NREM睡眠的3、4期成为该年龄段主要的睡眠表现。从儿童到青春期，慢波睡眠和REM睡眠逐渐减少，1期和2期睡眠比例逐渐增大。成人深睡眠保持在15%～20%。从中年起δ波开始减少，60岁后的老年人NREM睡眠4期睡眠减少，δ波幅度降低，75岁以后4期睡眠基本消失，老年男性的变化早于同龄的老年女性。有研究推测这种变化与大脑皮质突触密度减少、突触活动下降、代谢率下降有关，代表了中枢神经系统早期老化的生物指标。睡眠老化现象早于其他衰老现象的出现，如白发、面部皱纹等。
在所有物种中，REM睡眠在生命早期占有重要地位，不论在胎儿还是新生儿期，它是最初的优势状态，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。在生命中的最初一段时间，婴儿入睡时先进入REM睡眠，出生后3～4个月这种转化形式消失。婴儿REM睡眠时间占总睡眠时间的50%～60%，以后REM睡眠总时间及其占总睡眠时间的百分比随年龄增长而逐渐减少，两岁幼儿REM睡眠时间占总睡眠时间的30%左右，以后逐渐稳定于20%～25%，直到老年。健康老年人REM睡眠的百分比稍有下降，80岁以上老年人约为18%。
REM睡眠的间隔时间也随年龄发生变化。早产儿REM睡眠平均间隔很短，为40～45分钟。足月新生儿REM期平均间隔为45～50分钟，1岁幼儿REM期平均间隔为50～60分钟，到6岁时，REM期平均间隔进一步延长，为60～75分钟。青春期和青年达到85～110分钟，此后无明显变化。
睡眠是动物界共有的生理现象。动物由低级到高级进化的不同阶段中，睡眠的演变过程与脑的进化程度相平行。昆虫、鱼类、两栖类低等动物表现出反复发生的类似睡眠的行为学指标：行为活动静止期维持在某种特定的姿势，接受强烈刺激时姿势迅速发生变化。龟、蛇、蜥蜴类等爬行动物身上发现最初的脑电活动迹象。到了鳄目类宽吻鳄的行为静止期才看到真正的慢波睡眠，记录到高振幅尖波。当动物进化到鸟类时，出现了与哺乳动物类似的NREM睡眠与REM睡眠周期性交替的睡眠模式，但缺乏NREM睡眠的分期和纺锤波。
到了哺乳动物，能明显区别出NREM睡眠和REM睡眠表现出的周期性交替，鸟类和哺乳动物REM睡眠的出现，表明脑干结构的进一步复杂化。哺乳动物NREM睡眠的出现，表明其新皮质的进一步发育。在睡眠的行为学定义基础上，哺乳动物睡眠还需附加其他标准：①回到觉醒状态的快速可逆性，使睡眠同昏迷和低体温状态（如冬眠）区别开来。②脑电图的特征性变化，能够准确识别睡眠相关行为和大脑活动。如纺锤波和慢波是哺乳动物NREM睡眠的标志。
哺乳动物睡眠时间的种系差异较大，如大洋洲树袋熊考拉的睡眠时间每天长达22小时，兔子每天只睡几分钟，印度河豚的睡眠可以以秒计算。哺乳动物每日睡眠时间与体重和单位体重代谢率相关，能量储备低的物种需要更多的睡眠。大型哺乳动物由于体形增大，体表面积与体重比值下降，能量储备较多，以及毛皮厚度增加等因素，因而减少了产热和维持体温的需求，睡眠压力较小。
有研究表明，REM睡眠在进化进程中出现较晚，并非与NREM睡眠同时出现。REM睡眠的进化体现了物种对环境的适应，不仅表现在对身体和行为特征的良好调节，而且涉及调节后代的数量和幼崽的成熟时间。鲸类是极端的早成熟物种，这样就可以理解为什么鲸类的REM睡眠缺失或比例最小。