Somente depois de 1953, quando pesquisadores descreveram o sono REM em bebês, os cientistas começaram a estudar mais profundamente o sono e sonho. Eles perceberam que as experiências estranhas e ilógicas que chamamos sonho quase sempre ocorrem durante o sono REM. Mamíferos e aves mostram sinais de sono REM, mas não répteis e outros animais de sangue frio.

O sono REM começa com sinais partindo de uma área na base do cérebro chamada ponte que viajam para uma região chamada tálamo, o qual os retransmite para o córtex cerebral, o revestimento externo do cérebro responsável pelo aprendizado, pensamento e informação organizada. 

A ponte também envia sinais que desligam neurônios na medula espinhal, ocasionando paralisa temporária dos músculos dos membros. Se algo interferir com essa paralisia, a pessoa começa a agir de acordo com os sonhos, um problema raro e perigoso chamado distúrbio de comportamento no sono REM. Uma pessoa sonhando com um jogo de futebol, por exemplo, pode correr para o encontro de móveis ou atingir alguém dormindo perto ao tentar alcançar a bola no sonho. 

O sonho REM estimula as regiões do cérebro usadas no aprendizado. Isso pode ser importante para o desenvolvimento normal do cérebro durante a infância, o que explica porque os bebês passam muito mais tempo no sono REM do que adultos.