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  经历了NREM四个期之后，睡眠会出现一系列奇特的变化，最奇特的是眼球活动。原先在NREM第Ⅳ期眼球基本上不活动的一下子变得快速的从一侧转到另一侧，好像在看什么东西一样，这时期称为REM睡眠相。第一次出现的REM只持续10分钟左右。

  除了眼球快速来回活动之外，脑电波的变化也很奇特。原来大量的δ波逐渐减少，出现了睡眠纺锤和α波，以后有出现低波幅、快速的、多变的波形，这是清醒状态的脑电波。可是受检者并没有醒来，他确实还在沉睡之中。

  还有奇特之处，REM睡眠时呼吸突然加快而且不规则，心率加快，体温轻度上升，血压也轻度升高，但是肌肉却更加放松了，下颏更放松了，口水会流出来。有些人在这期会出现足趾的伸屈活动，或磨牙。男性可能出现阴茎勃起，女性的阴道分泌物也可能增加。

  一位熟睡的热出现清醒状态的脑电波和眼球的来回活动确实不同寻常，所以REM又称为非正规睡眠。科学家经过反复地观察认为REM睡眠可能与梦魇状态有关。如果把受检者从REM突然叫醒，并请他立刻回忆和复述梦境，那么受检者可以清晰地把梦境和盘托出，不过如果受检者在醒后又陷入深睡中或保持清醒一段时间，则受检者会把五分钟前做的梦忘记得干干净净。

  REM睡眠还会把外界声响组合到梦境之中。例如你可能在梦境中梦见客人不断得按你的门铃请你开门，等到突然惊醒后才发现原来是床头的闹钟在大响着。各种疾病的发病常常和REM有关。如心绞痛、心计梗死、溃疡病、哮喘病、中风等急性发作常常在REM睡眠相，甚至分娩的发动也在REM时期。

  虽然到目前为止，REM的作用还不完全清楚，但是科学家认为REM对人是必不可少的，它能使大脑得到休整，如果缺少REM（称为REM睡眠剥夺），在次夜会加倍“偿还”，使人恶梦频频，睡不解乏。