Este ciclo do sono - alternando o sono de ondas lentas e o REM - parece estar presente em todos os mamíferos placentrios e marsupiais. Os mamíferos exibem as várias características associadas ao REM observadas nos humanos, inclusive os registros EEG similares ao do estado de vigília. Os animais também sonham. Ao destruírem os neurônios no tronco encefálico que inibem o movimento durante o sono, os pesquisadores descobriram que gatos dormindo acordavam e atacavam ou ficavam assustados com objetos invisíveis - claramente imagens de sonhos.
Os cientistas descobriram ainda, estudando animais não-primatas, outros aspectos neurofisiológicos do sono REM, e determinaram que o controle neural desse estágio do ciclo do sono está centrado no tronco encefálico (a região do cérebro mais próxima da medula espinhal) a que durante o sono REM os sinais neurais - chamados de ondas ponto-genículo occipitais (PGO) do córtex - procedem do tronco encefálico para o centro do processamento visual, o córtex visual. Os neurônios do tronco encefálico também iniciam uma onda sinusoidal (semelhante à forma de um sino) no hipocampo. Este sinal cerebral é chamado de ritmo teta.
Pelo menos um animal vivencia o sono de ondas lentas, mas não o sono REM e, portanto, não apresenta o ritmo teta quando dorme. Trata-se do equidna, ou tamanduá espinhoso, um mamífero ovíparo (chamado de monotremado), que fornece pistas sobre a origem do sonho. A ausência do sono REM no equidna sugere que este estágio do ciclo do sono desenvolveu-se há cerca de 140 milhões de anos, quando os marsupiais e os placentários divergiram da ordem dos monotremados, os primeiros mamiferos a se desenvolver a partir dos répteis. De acordo com todos os critérios evolutivos, a permanência de um processo cerebral complexo como o sono REM indica que este desempenha importante função na sobrevivência das espécies mamíferas. Compreender essa função pode revelar o significado dos sonhos.
Quando Freud escreveu A Interpretação dos Sonhos, a fisiologia do sono era desconhecida. À luz da descoberta do sono REM, alguns elementos de sua teoria psicanalítica foram modificados e abriu-se caminho para teorias de base neurólogica. O sonho passou a ser entendido como parte de um ciclo do sono determinado biologicamente. Entretanto, o conceito central da teoria de Freud - a crença de que os sonhos revelam uma representação censurada de nossos sentimentos e interesses inconscientes mais íntimos - continua a ser usado na psicanálise.
Alguns teóricos abandonaram completamente as idéias de Freud depois das descobertas neurológicas. Em 1977, J. Allan Hobson e Robert McCarley, da Harvard Medical School, propuseram a hipótese da "síntese-ativação": os sonhos seriam associações e memórias suscitadas no prosencéfalo (o neocórtex e estruturas associadas) em resposta a sinais aleatórios provenientes do tronco encefálico, tal como as ondas PGO. Seriam simplesmente a "melhor adaptação" que o prosencéfalo poderia fornecer. Embora os sonhos possam, ocasionalmente, sugerir um conteúdo psicológico, seu caráter bizarro seria intrinsecamente desprovido de significado. Segundo Hobson, o sentido ou enredo dos sonhos resultaria da ordem imposta ao caos dos sinais neurais. "Esta ordem é uma função de nossa visão pessoal do mundo, de nossas memórias remotas", escreveu. Em outras palavras, o vocabulário emocional do indivíduo poderia ser relevante para os sonhos. Em uma revisão posterior de sua hipótese original, Hobson sugeriu também que a ativação do tronco encefálico poderia servir apenas para mudar de um episódio do sonho para outro.