现代研究发现，睡眠有两种状态，睡眠过程是由这两种性质不同的状态交替出现而组成。正常人在晚上8小时睡眠中，两种睡眠需循环交替3～4次，这两种睡眠分别叫正相睡眠与异相睡眠。
正相睡眠：又称为慢性睡眠或慢波睡眠。这一阶段人的呼吸变浅、变慢而均匀，心率变慢，血压下降，全身肌肉松弛，但肌肉仍保持一定的紧张度。根据睡眠深度的不同，又将正相睡眠分为思睡、浅睡、中睡、深睡4个阶段。这四个阶段是循序进行的，但可因某种因素的影响而停留在某一阶段。
异相睡眠：又称为快相睡眠或快波睡眠。这一阶段人体的感觉功能比在正相睡眠时进一步减退，肌肉也更加松弛，肌腱反射亦随之消失，这时的血压较正相睡眠时升高，呼吸稍快且不规则，体温、心率较前阶段升高，身体部分肌肉群可出现轻微的抽动。这一阶段，体内各种代谢功能都明显增加，以保证脑组织蛋白的合成和消耗物质的补充，使神经系统正常发育，并为第二天的活动积蓄能量。梦也在这个时期发生。
关于睡眠两个时相的生理意义还不十分清楚。目前研究认为，正相睡眠主要是大脑皮质的休息；而异相睡眠主要是皮质下神经结构的机能降低，即包括植物性机能在内的全身性休息。
睡眠时的生理变化总的来讲，其体内代谢及一切生理功能均降低，整个机体处于活动减少状态。运动系统在睡眠时骨骼肌松弛，张力降低或消失，腱反射降低或消失，眼睑松弛、闭合。睡眠时血压开始无明显变化，随睡眠加深，脑电图同步现象充分发展，可轻度下降，到深夜血压有明显降低，并一直处于低水平；血压与唤醒阈有关，血压愈低，唤醒阈愈高，到睡眠末期，又趋回升。睡眠时呼吸变化不恒定，一般呈浅、慢、均匀有节律。肺通气量减少25%左右，血氧饱和度降低，二氧化碳分压升高；清醒时呼吸中枢对二氧化碳敏感，睡眠时则可耐受相当高的血二氧化碳分压，在眼球快速运动睡眠期，呼吸加快20%。睡眠时心率一般均减慢，较清醒时减少10～30次/分钟；在眼球快动睡眠期可增高10%左右，特别在下半夜较高。睡眠时唾液分泌减少，胃液分泌停顿，胃肠蠕动增强，胃或十二指肠溃疡者则在眼快动期间胃酸分泌增加。睡眠时尿液生成大减，而尿比重增加；此时泪液分泌减少，而汗液分泌增加。睡眠时全身代谢作用下降，活力降低；深睡时体温稍降，清醒前2～4小时最低。由于器官活动降低，能量需求量减少，糖元贮存增加，合成代谢占优势。
睡眠时的生化变化较为复杂。如睡眠时脑内乳酸降低约35%，而乙酰胆碱升高15%。乙酰胆碱如注入额部可引起睡眠现象并伴颈紧张力下降；若注入大脑半球内侧部及边缘系统前部，则需浓度较高，注入大脑后部则不能引起睡眠。睡眠时血清胆固醇含量在健康者体内变化不大，但在眼球快动的深睡期增高。心肌梗塞患者的血清胆固醇含量在睡眠时波动大于正常人，故心绞痛常发生于眼球快动期。
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