Aby określić strukturę snu danej osoby, należy w ciągu nocy zbadać trzy parametry fizjologiczne:
- Czynność bioelektryczną mózgu, którą oceniamy za pomocą elektroencefalografii (EEG) – elektrody są umieszczone na skórze głowy nad lewą i prawą półkulą mózgu w okolicach czołowych, centralnych i potylicznych.
- Ruchy gałek ocznych, które badamy przy pomocy elektrookulografii (EOG) – elektrody są umieszczone bocznie i poniżej lewego oka oraz bocznie i powyżej prawego oka.
- Napięcie mięśni, które badamy przy pomocy elektromiografii (EMG) – elektrody są umieszczone nad mięśniami podbródkowymi.
Okresy snu wyznacza się na podstawie badania polisomnograficznego. Podział snu na stadia jest zaś dokonywany na podstawie analizy wzrokowej według międzynarodowych kryteriów Rechtschaffena i Kalesa.
Sen składa się z czterech stadiów snu NREM: stadium 1, 2, 3 i 4 oraz snu REM. Stadia snu 1 i 2 to sen płytki. Stadia 3 i 4 to sen głęboki, nazywany również snem wolnofalowym (ang. slow-wave sleep, SWS). Sen REM to stadium, w którym występują marzenia senne, jego charakterystyczną cechą jest występowanie szybkich ruchów gałek ocznych.
U zdrowych dorosłych sen rozpoczyna się od snu NREM, który zajmuje 75–80% czasu trwania głównego epizodu snu dobowego; w wypadku REM jest to 20–25%. Sen wolnofalowy przeważa w pierwszej części nocy, a sen REM – w ostatniej części.
NREM i REM składają się na cykl snu trwający 90–110 min.