В 1953г. американские физиологи Азеринский и Клейтмен открыли так называемую фазу быстрого сна, показав тем самым, что сон является сложным и неоднородным состоянием.

Выделяют две фазы сна – медленного (ФМС) и быстрого сна (ФБС); Иногда фазу быстрого сна называют парадоксальным сном. Эти названия обусловлены особенностями ритмики электроэнцефалограммы (ЭЭГ) во время сна – медленной активностью в ФМС и более быстрой в ФБС.

ФМС разделяется на 4 стадии, отличающиеся биоэлектрическими (электроэнцефалографическими) характеристиками и порогами пробуждения, являющимися объективными показателями глубины сна. Первая стадия (дремота) характеризуется отсутствием на ЭЭГ альфа-ритма, являющегося характерным признаком бодрствования здорового человека, со снижением амплитуды и появлением низкоамплитудной медленной активности с частотой 3-7 в 1сек. (тета - и дельта-ритмы). Могут регистрироваться ритмы и с более высокой частотой. На электроокулограмме возникают изменения биопотенциала, отражающие медленные движения глаз. Вторая стадия (сон средней глубины) характеризуется ритмом «сонных веретен» с частотой 13-16 в 1 сек., то есть отдельные колебания биопотенциалов группируются в пачки, напоминающие форму веретена. В этой же стадии из фоновой активности четко выделяются 2 – 3-фазных высокоамплитудных потенциала, носящих название К-комплексов, нередко связанных с «сонными веретенами». К-комплексы регистрируются затем во всех стадиях ФМС. Амплитуда фоновой ритмики ЭЭГ при этом растет, а частота ее уменьшается по сравнению с первой стадией. Для третьей стадии характерно появление на ЭЭГ медленной ритмики в дельта-диапазоне (то есть с частотой до 2 в 1 сек. и амплитудой 50-75 мкв и выше). При этом продолжают достаточно часто возникать «сонные веретена». Четвертая стадия (поведенчески наиболее глубокий сон) характеризуется доминированием на ЭЭГ высокоамплитудного медленного дельта-ритма.

Третья и четвертая стадии ФМС составляют так называемый дельта-сон.

ФБС отличается низкоамплитудной ритмикой ЭЭГ, а по частотному диапазону наличием как медленных, так и более высокочастотных ритмов (альфа - и бета-ритмов). Характерными признаками этой фазы сна являются и так называемые пилообразные разряды с частотой 4-6 в 1 сек., быстрые движения глаз на электроокулограмме, в связи с чем эту фазу часто называют сном с быстрым движением глаз, а также резкое снижение амплитуды электромиограммы или полное падение тонуса мышц диафрагмы рта и шейных мышц.

Сон человека и животных циклически организован. У человека длительность одного цикла сна составляет в среднем 1,5-2 часа (за ночь наблюдается от 3 до 5 циклов). Каждый из циклов состоит из отдельных стадий ФМС и ФБС. Первое появление ФБС происходит через 1-1,5 часа после засыпания вслед за стадиями ФМС. Дельта-сон характерен для первых двух циклов сна, длительность же ФБС максимальна на протяжении III и IV циклов (обычно это ранние утренние часы). В среднем у человека в молодом и среднем возрасте ФМС составляет 75-80% деятельности всего сна, при этом первая стадия – около 10%, вторая стадия – 45-50% и дельта-сон – около 20%. ФБС занимает соответственно 20-25% длительности сна. Эти значения значительно отличаются от аналогичных показателей у новорожденных детей, а также в пожилом и старческом возрасте.

Во время разных фаз и стадий сна происходят существенные перестройки в деятельности мозга в целом, его отдельных функциональных систем и висцеральных, эндокринных функций. Исследование деятельности отдельных нейронов во время ФМС показало, что средняя частота импульсации в большинстве структур мозга уменьшается, хотя в некоторых из них, активно обеспечивающих наступление и протекание сна, она увеличивается по сравнению с состоянием бодрствования. Изменяется не только частота, но и сам характер нейронной активности. В зрительных буграх и коре мозга взамен постоянной импульсации в состоянии бодрствования во время ФМС импульсы генерируются сериями с последующим периодом молчания (импульсация типа пачка – пауза). Во время ФБС активность нейронов большинства отделов мозга усиливается, достигая уровня бодрствования или даже превосходя ее. Ритм типа пачка – пауза вновь сменяется более постоянной нейронной активностью. Изменяется и возбудимость нейронов; в ФМС по сравнению с бодрствованием она уменьшается и еще более снижается в ФБС.