L'elettroencefalogramma, o EEG, è stato per un lungo tempo lo strumento di elezione per studiare il sonno. L'attività dei neuroni nella corteccia cerebrale genera dei campi elettrici abbastanza intensi da essere registrabili attraverso il cranio mediante dei sensori (elettrodi) applicati sulla superficie dello scalpo. Questi piccoli segnali (dell'ampiezza del milionesimo dei volt, espressi in microvolt -mv-) vengono amplificati e filtrati per produrre le registrazioni EEG. Sebbene l'EEG sia uno strumento grossolano per determinare l'attività del cervello (si potrebbe dire corrispondente a cercare di determinare cosa sta accadendo all'interno di uno stadio ponendo un microfono all'esterno), esso si è dimostrato uno strumento notevolmente utile per studiare la struttura di base del sonno.

Il sonno non è uno stato uniforme. Nei laboratori del sonno e nei centri per i disturbi del sonno vengono usualmente registrate una serie di variabili durante una tipica notte di sonno. Queste includono la registrazione continua dell'EEG, dei movimenti oculari (EOG), del tono muscolare (EMG) All'interno di un processo denominato "polisonnografia".

Prima delle osservazioni di Aserinsky e Kleitman (1953) e di Dement (1958), il sonno veniva considerato come una condizione relativamente omogenea, con un equivalente elettrofisiologico rappresentato da EEG sincronizzato, spindles e onde lente. Successivamente, tuttavia, si impose la necessità di differenziare, nell'ambito di un intero periodo di sonno, diverse fasi con aspetti diversi non solo da un punto di vista elettrofisiologico, ma anche vegetativo, motorio e sensoriale.

Nell'uomo, lo studio delle fasi del sonno è relativamente recente, e da poco più di vent'anni si è raggiunto un certo accordo circa il metodo di siglatura e la denominazione da attribuire ai diversi stadi che si possono distinguere in successione durante un episodio di sonno notturno nell'uomo. Infatti nel 1968 un comitato selezionato dei più noti ricercatori sul sonno preparò un manuale standardizzato con l'obiettivo di sviluppare una terminologia e un sistema di siglatura che venisse universalmente usato nella ricerca sul sonno (Manuale di Terminologia standardizzata, Tecniche e Sistema di siglatura delle fasi del sonno nei soggetti umani -Rechtschaffen e Kales, 1968-)

La successione delle fasi del sonno è caratterizzata da un progressivo rallentamento del tracciato, accompagnato da modificazioni posturali, somatiche e vegetative.

Lo stadio 1 del sonno (S1) è caratterizzato da una netta diminuzione dell'attività alfa, tipica della veglia fisiologica (W), e dalla comparsa di attività theta, a 4-7 cicli al secondo (c/s). Tale attività theta deve superare il 50% di un'epoca di registrazione (solitamente della durata di 20-30 secondi), affinché l'epoca stessa possa essere siglata come S1. Il primo stadio del sonno (un periodo di transizione tra la veglia ed il sonno vero e proprio, corrispondente, in pratica, all'addormentamento) è caratterizzato inoltre da un elettromiogramma (EMG) ancora piuttosto elevato, anche se inferiore a quello della veglia, dall'assenza di movimenti oculari rapidi e dalla presenza di movimenti oculari lenti, specie nella prima fase di transizione dalla veglia allo stadio 1. Possono comparire alcune mioclonie (mioclonie ipniche fisiologiche), uno stato di tipo onirico, e, verso la fine della fase 1, il tracciato può presentare delle onde al vertice (vertex sharp waves).

Lo stadio 2 del sonno (S2) si caratterizza per la presenza di fusi (spindles) e complessi K. Il tracciato EEG è di ampiezza relativamente bassa, con prevalenza di ritmi theta; l'EMG si riduce ulteriormente, e sono assenti i movimenti oculari.

Lo stadio 3 del sonno (S3) -solitamente accorpato allo stadio 4 (S4) sotto la denominazione di sonno sincrono, o sonno ad onde lente (SWS)- è caratterizzato da un ulteriore netto rallentamento del tracciato EEG, che presenta ritmi dominanti delta (0.5-3.5 c/s) di ampiezza elevata. La siglatura di un'epoca del tracciato EEG come S3 richiede la presenza di attività delta per una percentuale dell'epoca stessa che va dal 20 al 50%. L'EMG appare molto ridotto, e mancano i movimenti oculari.

Quando la percentuale di ritmi delta supera il 50%, l'epoca viene siglata come S4. Il tracciato presenta una intensa sincronizzazione, un ulteriore rallentamento ed un aumento del voltaggio. L'attività EMG è ancora più ridotta, e non compaiono movimenti oculari. Nello stadio 4 sono generalmente assenti gli spindles, che, sia pur raramente, possono comparire nello stadio 3. Le funzioni vegetative (respiro, battito cardiaco) appaiono molto regolari durante le fasi di sonno sincrono.

Lo stadio REM (Rapid Eyes Movements) compare in genere dopo circa 90 minuti di sonno non-REM (N-REM), e si caratterizza per un completo appiattimento dell'EMG, intensa desincronizzazione EEG, e comparsa di movimenti oculari rapidi a gruppi e isolati. Compaiono anche aritmie cardiache e modificazioni respiratorie.

Gli episodi REM (4 o 5 durante un sonno notturno di 7-8 ore) tendono a divenire più lunghi, man mano che ci si avvicina alle prime ore del mattino, laddove il sonno sincrono (SWS) è tipico delle prime ore della notte -quelle, cioè, immediatamente successive all'addormentamento-.

Da un punto di vista strettamente neurofisiologico, il sonno e la veglia possono essere considerate come funzioni diverse, ma correlate, del Sistema Nervoso Centrale (SNC), affidate a complessi sistemi distribuiti nell'intero encefalo. Questi sistemi, che, in pratica, organizzano e regolano il ciclo sonno-veglia, possono essere identificati con due fondamentali processi: quello che controlla il ritmo circadiano (processo C), e quello che regola le varie fasi del sonno (processo S).

Il processo C è collegato ad un pacemaker localizzato nel nucleo soprachiasmatico dell'ipotalamo anteriore, che organizza i ritmi biologici circadiani, tra cui, appunto, il ciclo sonno-veglia. Tale struttura è sensibile a segnali esterni (scansione del tempo da parte del ciclo luce-buio), a fattori interni (fluttuazioni ormonali o della temperatura corporea) e a fattori genetici.

Il processo S, invece, che induce e regola il sonno, è influenzato da fattori umorali (per esempio, il fattore S, una sostanza ipnoinducente), dalla temperatura ambientale, da fattori nervosi (come stimoli condizionati e incondizionati), genetici, psicologici, ambientali e socioculturali.

Processo S e processo C, funzionalmente uniti, operano solitamente in modo sinergico, laddove la propensione al sonno corrisponde al sovrapporsi ed all'integrarsi delle influenze provenienti dal pacemaker circadiano con quelle interne ed esterne che attivano i meccanismi esecutori e regolatori del sonno; ciò permette al sonno ed alla veglia di manifestarsi ad intervalli prevedibili, in sincronia con il ciclo ambientale luce-oscurità. Tuttavia, i due processi possono anche operare separatamente. Il sonno, inoltre, risponde ad un meccanismo interno di tipo omeostatico, completamente indipendente e funzionalmente separato dal processo C.