Запис біострумів мозку у вигляді електроенцефалограми (ЕЕГ), дає своєрідний малюнок, характерний для різних станів. Під час «повільного» сну на ЕЕГ з'являються
повільні хвилі великої амплітуди, що змінюються швидкими ритмами в період «швидкого» сну. Відмінності між фазами сну не тільки в даних ЕЕГ.
Під час повільного сну дихання, пульс стає рідшим, розслабляються м'язи, в цей період зменшується так звана рухова активність людини.
У фазу швидкого сну частота дихання, ритм роботи серця зростають, рухова активність збільшується, за закритими століттями чітко видно руху очного яблука. Ці так звані швидкі рухи очей - характерна ознака цієї фази, звідси ще одна її назва: Rем за першими літерами англійських слів Rapid еуе movements. У цей момент сплячий бачить сновидіння. Встановили цікавий факт: розбудити сплячого під час швидкого сну, незважаючи на ознаки більш поверхневого сну, почастішання дихання і пульсу, ритму ЕЕГ, значно важче, ніж при повільному сні. Тому фазу швидкого сну називають ще парадоксальним сном (відповідно повільний сон ортодоксальним).
Швидкий сон ніколи не настає відразу - його реєструють лише після певної тривалості фази повільного сну. Швидкий сон дуже важливий для стану психіки людини. Коли у добровольців вивчали особливості сну, будили протягом 3-4 ночей поспіль перед настанням Rем-фази, у них починалися психічні розлади, незважаючи на загальну достатню тривалість сну.
Зазвичай нічний сон складається з суворого чергування 4-6 завершених циклів, з яких кожен починається з повільного і закінчується швидким сном. Тривалість будь-якого циклу в нормі становить від 60 до 90 хвилин, але якщо на початку ночі швидкий сон триває лише кілька хвилин, то до ранку його тривалість становить приблизно півгодини. При цьому необхідно поєднання цих циклів, що характеризуються різним співвідношенням фаз сну, з певним гормональним рівнем і ритмом температури, які змінюються разом з вечора до ранку. Тому так важливі певні години доби для сну. І не випадково сон в денний час, як правило, не дає того освіжаючого ефекту, як нічний.
Цікавий і такий момент: кожна здорова людина бачить сни, але пам'ятає їх лише той, хто прокидається в перші 15 хв після швидкого сну. Виявилося, що ті, хто має гарну пам'ять, бачать сни. Чим яскравіше і образніше сновидіння, тим більш повноцінне сон. На думку окремих вчених, одна з причин цього полягає в тому, що під час сну, можливо, активно переробляється отримана за день інформація. Так, у фазі повільного сну відбувається обробка інформації, отриманої протягом дня, а в фазі швидкого сну, яка характеризується сновидіннями з включенням фантастичних нереальних компонентів, здійснюється і захист від зовнішніх подразників, і психічна діяльність.
Швидкий сон відіграє значну роль в процесі навчання і запам'ятовування різної інформації. Так, серед студентів, активно вивчає іноземну мову, можна виділити групу молодих людей, які дуже швидко і правильно запам'ятовують нові слова. На відміну від студентів з поганою здатністю до запам'ятовування у них більше тривалість швидкого сну.