REM döneminde beyin kan akımı (pontine tegmentum, talamus, amigdala, limbik ve
paralimbik alanlar, anterior singulat korteks, temporoparietal bölgenin arka alanları, hipokampal formasyon bölgelerinde daha belirgin olmak üzere) artmaktadır. Eşzamanlı olarak kortekste kolinerjik sistemin nörotransmitteri olan asetilkolin (ACh) salınımı da artmaktadır. Bunlar, REM döneminde işlemlerin asetilkolin aktivitesi yönetiminde sürdüğünü göstermektedir. Asetilkolin belirli bir düzeye ulaştığında, uykuda REM dönemini başlatmakta, bellekle ilgili işlemleri aktive etmektedir. Uyanıklık döneminde işlemler, sistemler arasındaki dengeli etkileşim içinde sürdürülürken, REM döneminde, bilgi işleme başta olmak üzere, tüm aktiviteler, asetilkolin başatlığında yürütülmektedir. Bu da işlemlerin uyanıklıkta olduğu gibi değil, tek boyutlu bir model içinde yapıldığına işaret etmektedir.