A partir de los registros polisomniográficos, como acabamos de ver, se han caracterizado dos categorías diferentes de sueño que aparecen de forma cíclica mientras se duerme, la primera denominada NREM y la segunda denominada REM. Estas dos categorías de sueño no son únicamente el resultado de la obsesión académica por clasificar, sino que corresponden a diferencias reales en la actividad del cerebro y del cuerpo del durmiente, y también en su fisiología y en sus experiencias mentales. El sueño comienza siempre por la fase NREM y, salvo que se padezca algún trastorno como la narcolepsia (que estudiaremos más adelante), nunca sucede que se pase directamente de la vigilia al sueño REM, aunque despertar y entrar en vigilia puede hacerse desde ambos tipos de sueño, NREM o REM.
Durante el sueño NREM el metabolismo cerebral disminuye y el cerebro gasta menos energía que durante la vigilia, las tasas cardiaca y respiratoria son bajas y regulares, y durante la fase N2 de sueño ligero se experimentan a veces ensoñaciones normalmente de duración corta y un carácter más conceptual que emocional.
En contraste, durante la fase de sueño REM el metabolismo cerebral aumenta hasta alcanzar niveles similares a los de la vigilia, aumentan también la tensión arterial y las tasas cardiaca y respiratoria, se producen erecciones parciales del pene y tumefacción del clítoris sin necesidad de estar teniendo sueños de contenido erótico, y es durante esta fase cuando con más frecuencia aparecen en la mente esas ensoñaciones vívidas de carácter narrativo con personajes, uno mismo incluido, espacios y sensaciones alucinatorias que en español denominamos sueños o ensueños, y en inglés dreams (Kelly, 1991a).
Cuando se despierta a los durmientes en la fase REM, refieren estar soñando entre el 80% y el 95% de las veces, y se calcula que cada noche se dedica alrededor de una hora y media a soñar (McCormick y Westbrook, 2013), aunque es frecuente que no se recuerde nada o casi nada de los sueños al despertar normalmente por la mañana. Como ya hemos indicado, durante la fase de sueño REM no hay tono muscular, con la excepción de la musculatura necesaria para respirar y de la musculatura extrínseca del globo ocular, que sirve para dirigir la mirada y es la que genera los movimientos rápidos de los ojos. Durante el sueño REM también se pueden observar breves sacudidas de las piernas (en inglés, twitchs) cuya función, al menos durante la infancia, podría estar relacionada con el correcto desarrollo del sistema motor (Blumberg y cols., 2013).
El sueño REM y el sueño NREM, en particular la fase N3 de sueño profundo, no se distribuyen uniformemente durante el tiempo dedicado al sueño, sino que la fase N3 aparece con más frecuencia y en períodos más largos al principio y la fase REM al final de una noche durmiendo (ver figura 4). A lo largo de la vida también cambia la estructura del sueño. El niño recién nacido duerme alrededor de 17 horas diarias con un 50% del tiempo dedicado a sueño REM, conforme se va haciendo mayor duerme muchas menos horas y dedica menos tiempo al sueño REM, hasta alcanzar al final de la pubertad las 7 u 8 horas de sueño nocturno típicas del adulto con alrededor del 20% del tiempo dedicado a la fase REM.
A partir de los 60 años, cuando el sueño tiende a fragmentarse y el tiempo total durmiendo decrece por término medio a unas 6 horas diarias, el porcentaje de sueño REM se reduce hasta el 15%, de forma que a lo largo de la vida el tiempo dedicado al sueño REM disminuye desde las 8 horas del recién nacido a 1 hora en el anciano, mientras que el tiempo dedicado a sueño NREM se mantiene más constante, entre 8 horas diarias al principio de la vida y 5 en la senectud (Roffwarg, Muzio, y Dement, 1966), si bien a partir de la edad adulta la mayor parte del sueño NREM es sueño ligero, y sólo alrededor del 5% es sueño de ondas lentas (Van Cauter, Leproult y Plat, 2000).
Se han encontrado formas de sueño NREM en especies pertenecientes a distintos phyla del reino animal (Zimmerman y cols., 2008; Siegel, 2008), pero sólo en aves y mamíferos, animales que autorregulan su temperatura corporal, se ha encontrado sueño REM (Siegel y cols., 1998). Las distintas especies de mamíferos muestran distintos patrones de sueño REM y NREM. En general, los mamíferos altriciales, que son los que nacen inmaduros y necesitan tiempo y cuidados para desarrollarse, por ejemplo los carnívoros como el gato (Felis catus), algunos roedores como las ratas (Rattus norvegicus) o primates como nosotros, ocupan más tiempo en la fase REM que los mamíferos precociales que nacen más desarrollados, como por ejemplo los herbívoros. Esta diferencia en cantidad de sueño REM en función del estado de desarrollo al nacer entre especies de mamíferos es más marcada durante la infancia, pero se mantiene durante el resto de la vida.
Los cetáceos (las ballenas y los delfines), que son mamíferos que pasan toda su vida en el agua y están moviéndose durante la mayor parte del tiempo, no muestran la alternancia típica entre sueño REM y NREM, y en su lugar muestran solo sueño NREM en un solo hemisferio cerebral que se va alternando, mientras mantienen abierto el ojo contralateral, y es muy raro que muestren este tipo de sueño en los dos hemisferios a la vez (Siegel, 2005). Los lobos marinos (Arctocephalus) son mamíferos que pasan una parte de su vida en el agua y otra en tierra, y muestran en el agua un patrón de sueño NREM de un solo hemisferio que se alterna y ausencia de sueño REM, por lo tanto similar al de los cetáceos, pero al pasar a tierra firme, a veces tras semanas de haber vivido exclusivamente en el agua, cambian inmediatamente a un patrón de sueño NREM en los dos hemisferios a la vez y alternancia con el sueño REM, similar al de los mamíferos terrestres (Lyamin, Mukhametov y Siegel, 2004), y un patrón similar de sueño NREM de un hemisferio alterno se postula en algunas aves migratorias durante el vuelo, que cambiaría a la alternancia NREM – REM de ambos hemisferios al estar en tierra (Rattenborg, 2006).