Los estados y las fase del sueño humano se definen según los patrones característicos que se observan mediante el electroencefalograma (EEG), el electrooculograma (EOG, una medición de los movimientos oculares) y el electromiograma de superficie (EMG). El registro de estos parámetros electrofisiológicos para definir los estados de sueño y de vigilia se denomina polisomnografía. Estos perfiles entregan dos estados del sueño:

1. Sueño de movimientos oculares rápidos (REM) (conocido también como sueño paradójico, desincronizado o D)

2. Sueño sin movimientos oculares rápidos (NREM). Este último a la vez se subclasifica en 4 estados

1. La fase 1 del NREM es la transición desde la vigilia al sueño; se le reconoce por la desaparición del patrón regular α (alfa) e instauración de un patrón de baja amplitud y de frecuencia mixta predominantemente en el intervalo theta (2 a 7 Hz), con movimientos oculares lentos "en balancín".

2. La fase 2 del NREM se define por la aparición de complejos K y de husos de sueño superpuestos a una actividad de base similar a la del estado 1. Los complejos K son descargas lentas, negativas (hacia arriba) y de amplitud elevada que se continúan inmediatamente después por una deflexión positiva (hacia abajo). Los husos de sueño son descargas de alta frecuencia de corta duración y que presentan una amplitud característica con subidas y bajadas. La actividad ocular permanece ausente y el EMG continúa de manera similar al estadio 1.

3. La fase 3 del NREM se caracteriza por ser un sueño con más del 20% (pero menos del 50%) de actividad delta de amplitud elevada (> 75 microV)(0,5 a 2 Hz). Los husos del sueño pueden persistir, sigue sin haber actividad ocular, y la actividad del EMG permanece a un nivel disminuido.

4. En la fase 4 del NREM, el patrón electroencefalográfico lento y de alto voltaje de la fase 3 comprende al menos el 50% del registro. Las fases 3 y 4 del NREM se denominan en conjunto, como sueño de ondas lentas, delta o profundo.

El sueño REM se caracteriza por un EEG de baja amplitud y de frecuencia mixta similar al de la fase 1 del NREM. En este contexto, se producen brotes de actividad más lenta (3 a 5 Hz) con deflexiones negativas superficiales ("ondas en diente de sierra") se superponen con frecuencia a este patrón. El EOG muestras de REM similares a las que se observan cuando la persona en cuestión permanece despierta y con los ojos abiertos. La actividad del EMG permanece ausente reflejando la atonía muscular completa de la parálisis motora descendente característica de este estado.

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