W latach 50. ubiegłego wieku, słynni badacze snu (Aserinsky i Kleitman) zaobserwowali, że u ochotników śpiących w laboratorium, co pewien czas występują szybkie ruchy gałek ocznych. Gdy zaczęli ich wówczas budzić, badani relacjonowali, że właśnie o czymś śnili. W ten sposób odkryto stadium snu REM, czyli sen z szybkimi ruchami gałek ocznych (ang. rapid eye movement), które jest czwartym ze stadiów snu.
Sen REM zwany jest także snem paradoksalnym. Paradoksalne jest w nim to, że chociaż śpimy i występuje atonia (całkowite zwiotczenie) mięśni, to nasz mózg pracuje bardzo aktywnie, podobnie jak w czuwaniu. Przejawem tej aktywności są choćby marzenia senne, typowe dla tego stadium.
Pierwsze stadium REM pojawia się zazwyczaj około 90 minut od zaśnięcia i trwa jakieś 10 minut. Wraz z kolejnymi cyklami, godzinami snu stadium REM się wydłuża, stąd nad ranem mamy najwięcej marzeń sennych. W sumie sen REM zajmuje 20-25% snu osoby dorosłej.
Sen REM prawdopodobnie odgrywa rolę w regulacji emocji oraz w konsolidacji (utrwalaniu) śladów pamięciowych. Im jesteśmy młodsi, tym mamy więcej tego snu (u noworodków stanowi on aż 50% snu), co sugeruje, że ma on znaczenie dla rozwoju mózgu.
Marzenia senne występują nie tylko w śnie REM. Mogą być również doświadczane w fazie non-REM, ale w mniejszym nasileniu. Sny REM są bardziej obrazowe, emocjonalne i dziwaczne (bo pobudzone są wtedy obszary mózgu związane z przetwarzaniem bodźców wzrokowych i emocjonalnych, a wyciszone te, związane z myśleniem racjonalnym, siatką czasu). Sny non-REM są zaś mniej wizualne, raczej podobne do myśli.
Ruchy gałek ocznych w trakcie REM korespondują z kierunkiem ruchu w marzeniu sennym, co sugeruje, że przynajmniej częściowo proces śnienia można porównać do oglądania filmu.
Wzwód u mężczyzn w trakcie snu REM jest zjawiskiem naturalnym, powszechnym od dzieciństwa do późnej starości. Nie jest związany z seksualną treścią marzeń sennych. Ponieważ jest czymś niezależnym od woli i występuje przez większość życia, zjawisko to wykorzystuje się do oceny impotencji – różnicowania organicznej, od tej o podłożu psychicznym. U kobiet, odpowiednikiem tego stanu jest wzwód łechtaczki podczas REM, ale niewiele tu więcej wiadomo, gdyż prawie nie ma badań na ten temat.
