德国科学家HansBerger以动物大脑中电信号的发现为基础，于1924年记录了人类大脑中的第一个电信号，1934年，他发明了脑电图（EEG），将脑电图的频率和振幅与观察到的生理特征（如眼球运动、麻痹、血压、心率、呼吸和体温）结合起来，发现和定义不同的睡眠阶段。

人们正常的睡眠结构周期分为两个时相，包括非快速眼动期（NREM期）和快速眼动期（REM期），NREM和REM交替出现，交替一次成为一个睡眠周期。每夜通常具有4-6个睡眠周期，成人每个睡眠周期大约持续1.5-2小时。

非快速眼动期（NREM期）

NREM期睡眠进一步分为N1期、N2期和N3期。

N1期

N1期是从清醒到睡眠的过渡期，又称浅睡期。N1期占正常睡眠时间的3%-8%。在N1期睡眠期间，患者对周围环境保特一定的意识，如果在这一阶段醒来，患者可能会认为自己从未睡着过。此外，还可能出现抽搐、跌倒感等运动反应。

N2期

N2期是真正睡眠的开始，占睡眠时间的45%-55%，在这个阶段，眼球运动减少，脑电波变慢，也有短暂的大脑快速活动的暴发，称为睡眠纺锤波。这个阶段肌电活动也減弱。患者完全失去了对周围环境的感觉，更难被唤醒。睡眠此时由副交感神经系统控制，导致核心体温、血压和心率下降。患者正在为更深度的睡眠做准备。

N3期

N3期是深度睡眠，也称“慢波睡眠”。N3期占总睡眠时间的15%-20%，其中大部分发生在睡眠的前3小时。此期间肌肉张力的下降甚至比N2期更大。当处于N3期睡眠状态时，患者很难醒来。而当他从N3期睡眠中醒来时，患者可能会感到持续数分钟的昏昏沉沉，无法辨清方向。

N3期是大多数生长激素释放的阶段。因此，使儿童获得充足的N3期睡眠非常重要。一些研究认为人体机体在N3期睡眠阶段进行自我修复。

深度睡眠很重要，可以让人们在早上感到

精神焕发。如果N3期的时间不足，即使总睡眠时间足够，醒来也会感到疲劳。

随着年龄的增长，我们的N3期睡眠总量显著减少，而N1期增加。这或许可以解释为什么老年患者在维持睡眠方面存在相当大的困难。

快速眼动期（REM期）

在REM期，大脑几乎和清醒时一样活跃。在REM期，眼球快速“抖动”是最常见的特征。一些研究认为，大脑等神经系统在快速眼动睡眠中自我修复。REM出现在NREM后面，前半夜比例较低，主要集中在后半夜。REM期与梦境有关。