REM uykusu, hızlı göz küresi hareketleri, kas atonisi ve kortikal aktivasyonun göstergesi olan, desenkron EEG aktivitesiyle karakterize bir uyku dönemidir. Sirkadyen etkiler nedeniyle bazal ön beyin mekanizmaları da REM uykusunun organizasyonunda görev almakla birlikte, REM uykusunun oluştuğu bölge, beyin sapında retiküler formasyonda yer almaktadır. Bu bölgenin kolinerjik agonistler ile aktivasyonunda REM uykusunun ortaya çıkması, kolinerjik aktivasyonun REM uykusunun başlamasında ve sürdürülmesindeki önemini göstermiştir. Kolinerjik uyarıların ise mezopontin bileşkede yer alan laterodorsal ve pedinkülo-pontin tegmental nukleuslardan geldiği, bu nukleuslardan pontin retiküler formasyona uzanan eksitatör projeksiyonların REM uykusunda görülen fizyolojik karakteristik özelliklerin oluşmasını sağladığı saptanmıştır.
Pontin retiküler formasyondaki nöronların aktif hale geçmesiyle birlikte III. ve VI. kranyal sinirlerin nukleusları uyarılmakta ve REM döneminde görülen vertikal vehorizontal göz küresi hareketleri oluşmaktadır. Ayrıca bu eksitatör uyarıların, asendan retiküler aktivatör sistemde yer alan talamusun nonspesifik nukleuslarına ve bazal ön beyine ulaşması, ardından kortekse yayılmasıyla da kortikal aktivasyon meydana gelmekte, REM döneminde EEG’de gördüğümüz desenkron (düşük voltajlı ve hızlı) aktivite karşımıza çıkmaktadır. Kas atonisinin 20 ise, lokus seruleusun ventral kısmında yer alan alfa nöronların aktivasyonu ile oluştuğu düşünülmektedir. Kolinerjik innervasyona sahip olan bu nöronlar, REM döneminin başlamasıyla birlikte uyarılmakta, buradan medullaya doğru projekte olarak glisinerjik olduğu düşünülenbaşka bir sisteme bağlanmaktadır. İnhibitör özellikli glisinerjik nöronlar ise spinalkordda alfa motor nöronlar üzerine inhibisyon yapmakta ve kas atonisini oluşturmaktadır.
REM uykusu sırasında aktif halde bulunan laterodorsal ve pedinkülo-pontin tegmental nukleuslar ile pontin retiküler fromasyonda yer alan nöronlara ‘’REM-on’’nöronları adı verilmektedir. Bu dönemin başlamasıyla birlikte depolarize olan ‘’REM-on’’nöronları , ‘’REM-off’’ nöronları olarak adlandırılan dorsal rafe nukleusundaki serotoninerjik ve lokus seruleustaki noradrenerjik nöronların aktivitesinin artmasıyla birlikte hiperpolarize olmaktadırlar. Hiperpolarizasyonun artmasıyla birlikte REM dönemi sonlanmaktadır.