Giai đoạn đầu tiên khi chúng ta bắt đầu chìm vào giấc ngủ, sau đó bước vào giai đoạn NREM, khi đó các mô hình sóng não giảm tần số và tăng biên độ. Giai đoạn đầu tiên của giấc ngủ NREM gọi là giai đoạn 1. Đây là giai đoạn chuyển tiếp xảy ra giữa thức và ngủ, khi chúng ta chìm dần vào giấc ngủ. Trong thời gian này, tốc độ hô hấp và nhịp tim diễn ra chậm lại. Ngoài ra, giấc ngủ giai đoạn 1 còn liên quan đến sự giảm rõ rệt về cả độ căng cơ tổng thể và nhiệt độ cơ thể.
Về hoạt động của sóng não, giấc ngủ giai đoạn 1 có liên quan đến cả sóng Alpha và Theta. Phần đầu của giai đoạn 1 tạo ra sóng Alpha. Các mô hình hoạt động có mang điện tích này (có thể xem là sóng) được so sánh như là một người đang trong trạng thái thư giãn, chưa tỉnh táo, nhưng những sóng này biến đổi ít hơn (có sự đồng bộ hơn) và có tần số tương đối thấp hơn (8 – 12 Hz) và biên độ cao hơn so với sóng Beta (Hình 2). Khi một người tiếp tục đi tiếp tục ngủ từ giai đoạn 1 khi đó sẽ có sự gia tăng hoạt động của sóng Theta. Sóng Theta thậm chí còn có tần số thấp hơn (4 – 7 Hz) và có biên độ cao hơn so với các mẫu sóng alpha. Tương đối dễ dàng để đánh thức ai đó từ giấc ngủ giai đoạn 1; nhưng trên thực tế, mọi người thường chia sẻ rằng họ chưa ngủ nếu bị đánh thức trong giai đoạn 1 của giấc ngủ.
Khi chúng ta chuyển sang giai đoạn 2 của giấc ngủ, cơ thể sẽ đi vào trạng thái thư giãn sâu. Sóng Theta vẫn chi phối hoạt động của não, nhưng chúng bị gián đoạn bởi những đợt hoạt động ngắn được gọi là trục xoay khi ngủ (Hình 3). Trục xoay khi ngủ [sleep spindle] là sự bùng nổ nhanh chóng của các sóng não tần số cao hơn có thể quan trọng đối với việc học và ghi nhớ (Fogel & Smith, 2011; Poe, Walsh, & Bjorness, 2010). Ngoài ra, sự xuất hiện của phức hợp K [K-complex] thường liên quan đến giấc ngủ giai đoạn 2. Phức hợp K là một dạng hoạt động não có biên độ rất cao, có thể xảy ra trong một số trường hợp để đáp ứng với các kích thích từ môi trường. Do đó, phức hợp K có thể đóng vai trò như một cầu nối với mức độ kích thích cao hơn để đáp ứng với những gì đang diễn ra trong môi trường (Halász, 1993; Steriade & Amzica, 1998).
Giai đoạn 3 trong giấc ngủ NREM thường được gọi là giấc ngủ sâu hay giấc ngủ sóng chậm vì đặc trưng bởi tần số thấp (dưới 3 Hz), sóng Delta biên độ cao (Hình). Loại sóng này có tần số thấp nhất và biên độ cao nhất trong các loại sóng não khi chúng ta ngủ. Trong thời gian này, nhịp tim và hô hấp của một người chậm lại đáng kể và việc đánh thức ai đó khỏi giấc ngủ trong giai đoạn 3 khó hơn nhiều so với giai đoạn trước đó. Điều thú vị là những người có mức độ hoạt động của sóng não Alpha tăng lên (thường liên quan đến sự tỉnh táo và chuyển sang giai đoạn ngủ 1) trong giai đoạn 3 thường báo cáo rằng họ không cảm thấy sảng khoái khi thức dậy, bất kể họ đã ngủ bao lâu (Stone, Taylor, McCrae, Kalsekar & Lichstein, 2008).
