수면(sleep)은 잠을 자는 일로, 행동적 관점에서 볼 때, 부동성과 감소된 환경 반응성이 인간의 수면을 특징짓는다. 이 상태는 목적이 있는 활동과 대조를 이루며 관찰 가능한 살아있는 존재를 수면 또는 각성(깨어 있음)으로 이분화하는 기초를 제공한다. 몸과 마음의 활동을 쉬는 상태이며 의식이 없거나 줄어들고, 감각 기간이 상대적으로 활동을 중단하며, 거의 모든 수의근의 움직임이 없는 것이 특징이다. 인간이 잠을 자야 하는 이유와 수면이 인간에게 주는 이점에 대한 명확한 규명은 아직 없지만 흔히 알려진 수면의 유익한 점 중 하나는 사람들이 낮 시간 동안에 정상적으로 기능하도록 하는 능력을 회복시킨다는 점이며, 수면은 인간의 생존과 건강을 위해 필요하다. 그렇기 때문에 예로부터 수면-각성 주기와 수면 상태의 생리학적, 기능적 연구가 꾸준히 이루어지고 있다.
수면은 크게 REM 수면과 NREM 수면으로 나눌 수 있다. 이는 polysomnography(PSG)를 통해 연구가 이뤄졌으며, PSG는 electroencephalography(EEG), electro-oculography(EOG), electromyography(EMG)를 총칭한다. PSG를 통해 뇌파, 안구 운동 및 근육 긴장도 기록, 이외에도 호흡기, 심장 및 사지 운동 활동을 평가하여 수면의 단계를 연구하였다. NREM 수면은 N1, N2, N3로 나눠지며, N1, N2, N3 및 REM 수면은 EEG bandwidth activity, EEG events, 안구 운동 활동, 근육 긴장도 수준에 따라 결정된다. 인간의 경우, 보통 매일 밤 90~120분씩 NREM과 REM을 반복적으로 거친다.
N1 단계는 가장 얕은 수면 단계로, 전압이 낮게 측정되고 mixed-frequency background, 느린 안구 운동, vertex sharp waves의 특징을 가진다. 뇌파는 베타파에서 알파파로 바뀌며, 알파파(8-13Hz)에서 세타파(4-7Hz)로 전환된다. 이 단계에서는 사람이 쉽게 깨어날 수 있으며, 일부는 잠을 자고 있었다고 느끼지 못할 수도 있다. N2 단계는 전체 수면 시간 중 가장 많은 부분을 차지하고, sleep spindles와 K complexes를 포함되어 있다. 세타파는 여전히 뇌 활동을 지배하지만 sleep spindles에 의해 방해받는다. 또한 K complexes의 출현은 종종 2단계 수면과 관련이 있다. K complexes는 매우 높은 진폭의 뇌 활동 패턴으로, 어떤 경우에는 환경 자극에 대한 반응으로 발생할 수 있다. 따라서 K complexes는 환경에서 일어나는 일에 대한 반응으로 더 높은 수준의 각성으로 이어지는 다리 역할을 할 수 있다. N3 단계는 낮은 주파수(3Hz 미만), 높은 진폭의 델타파가 특징이며, 좀처럼 쉽게 깨어나지 않는 가장 깊은 수면상태이다. 이때 혈압은 최저치로 떨어지고, 심박수와 호흡률도 가장 낮게 측정된다. 3단계에서 누군가를 잠에서 깨우는 것은 초기 단계보다 훨씬 더 어렵다.
세 단계의 NREM을 거치고 나면 REM 수면 상태에 접어들게 된다. REM 수면은 신체적, 심리적인 회복, 단백질 합성 및 기억 향상에 도움이 된다고 보고되고 있는 역설수면이다. 역설수면은 몸은 잠을 자고 있으나 뇌파는 깨어 있을 때의 알파파를 보이는 수면상태이다. 자율신경성 활동이 불규칙적인 수면의 시기로, 보통 안구가 신속하게 움직이고 꿈을 꾸는 경우가 많기에 Rapid Eye Movement(REM) 수면으로 언급된다. 성인의 REM 수면은 일반적으로 총 수면의 약 20~25%로 발생한다. 밤시간 수면의 90~120분 정도로 반복된다. REM 수면동안 뇌의 신경활동은 깨어있을 때와 상당히 유사하다. 이는 REM 수면 동안 뇌파는 억제되지 않는 것을 의미한다. REM 수면 동안의 꿈은 눈에 보이는 듯이 선명하게 발생한다.
Aserinsky와 Kleitman은 REM 수면을 정의하고 다음과 같은 실험 결과를 내놓았다. REM 수면에서 깨어난 74%의 피실험자가 꿈을 기억해 낸 반면 NREM 수면에서 깨어난 피실험자 중에서는 9%만이 꿈을 기억하였다. REM 수면과 꿈과의 연관성은 그 밖의 많은 연구를 통해 입증되고 있다. 젊은 성인의 수면 시간 중 4~6번 정도의 REM 주기를 보이고 이때 꿈이 나타나며 이는 전체 수면 시간 중 20%를 차지한다. REM 주기 지속시간과 꿈의 길이는 밀접한 상관관계를 보인다. REM 주기 중간에 깬 경우에는 꿈을 비교적 잘 기억하지만 REM 주기가 끝난 이후에는 8분에서 수 초만에 꿈을 기억하지 못하기도 한다. 이를 통해 꿈 자체는 기억되기 위한 것이 아님을 짐작할 수 있다.