Le sommeil paradoxal fait suite au sommeil lent ("sommeil à ondes lentes" désignant les stades 3 et 4), et constitue le cinquième et dernier stade d'un cycle du sommeil lequel comprend de 3 à 5 cycles successifs d'une durée chacun de 7 à 9 min. C'est la phase du sommeil au cours de laquelle les rêves dont on se souvient se produisent.
Il se caractérise par des mouvements oculaires rapides, d'où le nom anglais de ce stade de sommeil REM pour rapid eye movement, une atoniemusculaire, une respiration et un rythme cardiaque irréguliers, la température corporelle est déréglée. On observe une dilatation des organes pelviens et une érection qui peut être suivie d'éjaculation. L'activité électrique du cerveau est proche de celle de l'éveil, comme le montre le tracéélectroencéphalographique.
Chez une personne normale, la durée du sommeil paradoxal occupe environ 2 % de la durée d'un cycle, et s'accroît à chaque cycle jusqu'au réveil. On l'observe non seulement chez l'être humain mais aussi chez la majeure partie des mammifères placentaires et les oiseaux, son déclenchement est mesuré par le placement d'électrodes au niveau du Pont, le Corps Géniculé et le cortex visuel (parfois appelé cortex Occipital, d'où le nom d'ondes PGO).
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La rédaction