Bereits im 19. Jahrhundert gab es Versuche, den Schlafvorgang wissenschaftlich zu untersuchen. Eine neue Ära der Schlafforschung begann mit der Möglichkeit, Hirnstromwellen zu untersuchen. Während des gesunden Schlafes beginnen die Nervenzellverbände synchron zu arbeiten. Durch das Ableiten elektrischer Hirnströme mittels eines EEG (Elektroenzephalogramm) können diese verschiedenen Rhythmen gemessen und sichtbar gemacht werden. Nach der Frequenz und Amplitude der Wellen werden üblicherweise folgende Schlafstadien unterschieden:

  • Stadium I (leichter Schlaf, kurz nach dem Einschlafen): Thetawellen (4–7 Hz)
  • Stadium II: Thetawellen (4–7 Hz) und Beta-Spindeln
  • Stadium III: Deltawellen (kleiner als 4 Hz) und K-Komplexe
  • Stadium IV (Tiefschlaf): Deltawellen (kleiner als 4 Hz)
  • REM-Schlaf: Betawellen (14–60 Hz) und desynchronisiertes EEG

In den Stadien I bis IV nimmt die Muskelspannung stetig ab; während der REM-Phase („Traumschlaf“) träumt der Mensch. Bis auf die Augenmuskulatur, die nun sehr aktiv ist, sind die Muskeln in dieser Phase vollständig entspannt. Die Stadien I bis IV mit anschließendem REM-Schlaf werden mehrere Male pro Nacht wiederholt, wobei ein Zyklus durchschnittlich 90 Minuten dauert. Die REM-Schlafphasen werden gegen den Morgen hin länger; mit dem Tiefschlaf verhält es sich genau umgekehrt: Er ist am ausgeprägtesten zu Beginn der Nacht und tritt später nicht mehr auf.