L'inattività comportamentale che caratterizza il sonno nasconde una varietà di eventi fisiologici che la ricerca scientifica ha potuto rivelare mediante la registrazione dell'attività bioelettrica del cervello (elettroencefalogramma), dei muscoli scheletrici (elettromiogramma), del cuore (elettrocardiogramma) e dell'attività meccanica dei muscoli respiratori (spirogramma).
La registrazione contemporanea di tutte queste variabili viene definita polisonnografia.

Nella sottostante tabella sono indicate le variazioni di attività rispetto alla veglia del sistema nervoso vegetativo nelle sue due sezioni, simpatica (che predispone l'organismo all'azione) e parasimpatica (che predispone l'organismo al riposo) e delle funzioni cardiocircolatoria, respiratoria e termoregolatoria osservate nelle fasi NREM e REM del sonno.

Fig. 1: Elettrocardiogramma registrato durante le fasi del ciclo veglia-sonno nell'animale. I segmenti verticali che si osservano sul tracciato evidenziano il succedersi dei battiti cardiaci. Sotto ogni tracciato è indicata la frequenza cardiaca (battiti/min). Come indicato dalle frecce, durante il sonno REM la successione dei battiti cardiaci risulta molto irregolare (Credit:  A. Azzaroni e P.L. Parmeggiani.)

Nel sonno NREM l'attività cardiocircolatoria diminuisce rispetto alla veglia e la frequenza cardiaca si riduce (fig. 1). Ciò dipende da un aumento dell'attività della sezione parasimpatica e da una diminuzione dell'attività della sezione simpatica del sistema nervoso vegetativo. Questo è perfettamente coerente con la condizione di ridotta attività motoria che caratterizza il sonno NREM. In contrasto, nel sonno REM l'attività cardiocircolatoria risulta assai variabile per effetto di irregolarità marcate dell'attività del sistema nervoso vegetativo. Come indicato dalle frecce nella fig. 1, il battito cardiaco risulta molto meno ritmico. 

Fig. 2: Polisonnografia eseguita durante il sonno NREM e il sonno REM, che mostra i caratteri distintivi delle due fasi del sonno con riferimento all'elettroencefalogramma (EEG), all'oculogramma (Oculog.) e allo spirogramma (Resp.). (Credit: Modificato da: E. Lugaresi  et al. Hypersomnia with periodic apneas: advances in sleep research. Spectum Books, 1978.)

Durante il sonno NREM il ritmo respiratorio è regolare (fig. 2). La frequenza respiratoria risulta minore rispetto alla veglia perché lo stato di riposo muscolare riduce le necessità di ossigeno dell'organismo. Nel sonno REM, invece, la frequenza e l'ampiezza della ventilazione sono irregolari, specialmente in associazione con i movimenti oculari rapidi e le mioclonie.

Grazie alla termoregolazione, gli animali a "sangue caldo" (omeotermi) riescono a mantenere pressoché inalterata la propria temperatura corporea anche in condizioni di temperatura ambientale non ideali. La temperatura corporea è mantenuta costante a bassa temperatura ambientale dalla vasocostrizione cutanea e dalla comparsa del brivido muscolare, e a elevata temperatura ambientale dalla vasodilatazione cutanea e, inoltre, dalla sudorazione nell'uomo o dalla polipnea termica nell'animale. Queste risposte termoregolatorie sono presenti nel sonno NREM, mentre sono depresse o abolite nel sonno REM. Come si può apprezzare nella figura 3, nell'animale mantenuto a bassa temperatura ambientale il brivido registrato dall'elettromiogramma (EMG) durante il sonno NREM (A) scompare durante il sonno REM (B). Analogamente, nell'animale posto a una temperatura ambientale elevata, la polipnea termica, che si manifesta con un'elevata frequenza del ritmo respiratorio durante il sonno NREM scompare durante il sonno REM. Pur essendo stati chiariti alcuni dei meccanismi che portano alla sospensione della termoregolazione durante il sonno REM, non si conosce ancora per quale ragione questo accada.

Anche le secrezioni endocrine subiscono complesse variazioni dipendenti dallo stati di sonno. Ad esempio, come si osserva nella figura 4, ove il periodo di veglia è indicato dalla barra bianca e quello di sonno dalla barra nera, l'ormone ipofisiario della crescita presenta la massima secrezione nelle fasi iniziali del periodo di sonno durante la fase NREM, mentre la secrezione del cortisolo aumenta verso la fine del periodo di sonno e al risveglio.         Fig. 4: Andamento nell'uomo, in due giornate consecutive,  della temperatura corporea, e della concentrazione nel plasma dell'ormone della crescita, del cortisolo e del potassio. In alto, il periodo di veglia è indicato dalla barra bianca e quello di sonno dalla barra nera e dal tratteggio. Durante questo periodo è mostrato anche l'alternarsi delle fasi di sonno (ipnogramma). (Credit: Modificato da Moore-Ede et al. NEJM. 1983)