En 1939, Nathaniel Kleitman publie un livre sur le sommeil qui fait référence33. Deux de ses étudiants font également des découvertes importantes : Eugen Aserinsky et William C. Dement. En 1953, Aserinsky émit l'hypothèse que les périodes de mouvements oculaires rapides survenant pendant le sommeil et enregistrés grâce à un électro-oculogramme correspondaient aux périodes des rêves. Cette activité oculaire fut nommée « PMO » (pour « phase de mouvements oculaires ») ou « REM » (« rapid eye movements ») par opposition aux mouvements oculaires lents et ondulants observés pendant la phase d'endormissement. W. Dement constata que 80 % des dormeurs réveillés pendant les phases REM se rappelaient leurs rêves, contre 7 % seulement pendant les périodes de sommeil profond[réf. à confirmer]34. Le rêve survenait par périodes de 20 à 25 min, séparées par des intervalles de 90 minutes, et caractérisé par une activité corticale similaire à celle de l'endormissement et des mouvements oculaires rapides31. Ces travaux furent confirmés par Michel Jouvet chez le chat. Il découvrit en outre que pendant les phases REM existait une disparition du tonus musculaire axial, associée à une activité cérébrale intense, proche de l'éveil les yeux ouverts, et de l'endormissement les yeux fermés (soit une durée de 6 min toutes les 25 min chez le chat). C'est ce qui le conduisit à introduire la notion de sommeil paradoxal, faisant ainsi du rêve le troisième état physiologique du cerveau. Ces critères d'atonie, d'activité cérébrale35, et des mouvements oculaires se retrouvèrent également chez l'homme34.
Plusieurs groupes de chercheurs ont tenté de refaire les expériences de Maury, en vain. L’intégration de stimuli externes dans le rêve était au mieux partielle, souvent nulle. Dans aucun cas le stimulus ne devint le sujet central d'un rêve. Cette difficulté de détourner l’attention du rêveur de sa création interne a été nommée par Allan Rechtschaffen le « processus monomaniaque » (« single-minded process »)36.
Michel Jouvet, neurobiologiste français, et d'autres chercheurs ont montré que chez les rats et les souris certaines fonctions que l’on croyait héréditaires ne le sont pas. Si l’on met le souriceau dans une nouvelle famille, il se comportera comme celle-ci. M. Jouvet en déduit que ces adaptations doivent se faire pendant le sommeil paradoxal et que celui-ci sert donc à la programmation de l’individuation, c’est-à-dire la différenciation des individus37. En outre, le moi conscient n’est actif que pendant l’éveil (attention volontaire, prendre une décision, etc.). Ce moi ne contrôle plus le cerveau pendant le sommeil. Celui qui regarde les images des rêves n’est pas le moi conscient, mais d’après lui : “C’est ton soi, ou ton inconscient, qui te rêve en dehors de ta volonté”38 Pour ce neurobiologiste, le rêve n'est ni du sommeil, ni de l'éveil, mais un troisième état du cerveau aussi différent du sommeil que celui-ci hors de l'éveil39.
