Le sommeil paradoxal occupe la quatrième phase de sommeil. C’est lors de cette phase que surviennent les rêves, ou du moins ceux dont on se souvient au réveil.  Il se caractérise par une activité cérébrale importante et des mouvements rapides des yeux fermés (d’où le nom en anglais de sommeil REM, rapid eyes movement). Ces mouvements oculaires sont intermittents et l’on pense qu’ils pourraient être liés aux images visuelles internes des rêves. Paradoxalement à cette forte activité cérébrale, le système moteur est totalement inhibé, le corps se trouve alors dans une immobilité complète: c’est l’atonie (seuls les muscles dont la fonction est vitale, comme le coeur et le diaphragme, ainsi que les muscles oculaires restent en activité). Cette atonie musculaire peut être une mesure pour nous protéger des dommages que l’on pourrait produire sur nous-même en agissant physiquement pendant les rêves.

William Dément, chercheur sur le sommeil, caractérise cette phase comme l’état d’un « cerveau actif halluciné dans un corps paralysé », d’où le nom de sommeil paradoxal. Il représente jusqu’à 20-25% du temps de sommeil total, et sa durée s’accroît progressivement à chaque cycle de sommeil.

L’homéostasie corporelle (régulation de l’environnement interne du corps) est suspendue pendant le sommeil paradoxal, la respiration et le rythme cardiaque deviennent irréguliers, la pression artérielle et la température corporelle déréglée. L’excitation sexuelle est également fréquente, les organes pelviens sont dilatés, et chez l’homme, l’érection s’installe.

L’activité cérébrale observée pendant le sommeil paradoxal est proche de celle de l’éveil, présentant des ondes cérébrales de faible amplitude et de forte fréquence : les ondes thêta, les ondes alpha et même les ondes bêta, typiques de la concentration et de la pensée active de haut niveau. Lors  du sommeil  paradoxal, la consommation en dioxygène, source principale d’énergie du cerveau, est plus élevée  que  pendant les phases d’éveil. Cela traduit un besoin d’énergie important, supérieur à celui nécessaire lors de l’éveil.

Neurologiquement, le sommeil paradoxal est activé par le neurotransmetteur acéthylcholine, qui est un neurotransmetteur également présent pendant l’éveil. Au contraire, les neurotransmetteurs sérotonine et histamine sont complètement indisponibles, car ils sont inhibiteurs du sommeil paradoxal. Cet effet est principalement généré dans la région du pont du tronc cérébral (en anglais, pons).

Coupe longitudinale du cerveau

Les zones du cerveau impliquées dans la mémoire à long terme (comme l’hippocampe) et celles de l’émotion sont très actives pendant le sommeil paradoxal.

Bien que le manque de sommeil paradoxal n’entraîne que peu d’effets négatifs sur le comportement, il nuit à la capacité d’apprendre des tâches complexes, ce qui suggère que le sommeil paradoxal est une phase de sommeil essentielle.

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