化学微刺激
一旦脑干5–羟色胺和去甲肾上腺素能神经元的行为可用微电极记录并在整个睡眠周期进行全程动态描绘，人们会很自然地思考，如果我们实施一些更主动的实验，有意识地干扰这些细胞的自然特性会发生什么事呢？由此被称为化学微刺激的实验技术诞生了。不过它尤其奏效之处却是在研究脑干的另一种神经调节系统——胆碱能系统，之所以这么命名是因为该系统对靶神经元的影响是通过乙酰胆碱介导的，而人们很久以来就知道乙酰胆碱可通过改变肌纤维的电荷——即去极化，导致肌纤维收缩从而使肢体活动。
结果表明，乙酰胆碱既是肌肉也是大脑中枢状态的始动者之一。乙酰胆碱能神经元在清醒和快动眼睡眠时都放电，所以它们在两种状态下都参与脑电图激活的调节。由于快动眼睡眠时5–羟色胺能神经元被关闭，胆碱能神经元受到的抑制减弱，因此其兴奋度明显增强。这些复杂且多样化的神经生理学细节可能令人费解，不过记住主要的一点，尽管大脑在快动眼睡眠期间的电生理活动方面与清醒时一样，但二者激活的化学基础却完全不同。
这一结论得到了化学微刺激实验的有力支持，因为后者明确显示向脑干的特定区域——桥脑注射极微量的胆碱能药物即可诱导快动眼睡眠。而且，快动眼睡眠增强效应的模式和时程取决于脑干桥脑的哪一部分被化学性选择激活。若将药物置于大脑的特定部位（大脑中线任一侧的网状结构），与无活性的对照药物相比，猫将更快入睡，更快进入快动眼睡眠，快动眼睡眠将持续更长时间，而且是长得多的时间。正常情况下，猫自发的快动眼睡眠周期持续时间大约4到10分钟，而受到胆碱能药物刺激后快动眼时间可长达60到70分钟。这种化学性增强的快动眼睡眠不仅更长，而且更密集，用药期间出现频率也更高。
我们做梦是由化学物质引起的吗？这个问题对猫来讲是有争议的。虽然在人类身上发现了类似的效应，我们也只会说我们可以通过增强快动眼睡眠来增强梦。从科学角度出发，我们认为所有的梦都是化学介导的。所以答案是肯定的，我们做梦是化学刺激促使大脑这样做。
上述结果经受了反复验证并被广为接受，这意味着梦科学的大脑基础已牢固确立，但科学界对快动眼睡眠受胆碱能强化现象的接受却姗姗来迟。我们需证明多种胆碱类药物都可产生上述作用，并且其作用可被抗胆碱（阿托品）治疗阻断，甚至是像新斯的明这样通过阻断乙酰胆碱的正常酶解过程来发挥作用的药物，也可以强化快动眼睡眠。由此我们可稳妥地推论快动眼睡眠的梦是由乙酰胆碱介导的，此时去甲肾上腺素和5–羟色胺都处于极低水平。
所有这些对解释快动眼睡眠的功能有何意义又是另一个问题了。大脑在快动眼睡眠期间被如此强地胆碱能化，这对学习和记忆有什么影响呢？人们很早就认为乙酰胆碱与学习和记忆有关，所以快动眼睡眠对于此方面的新兴研究有着重要的意义，而这些研究与我们大脑思维不完全的、统计学模型相一致。这里有一个代表性的假说，乙酰胆碱可以触发记忆片断，但没有去甲肾上腺素和5–羟色胺的参与就不能产生新的记忆。
我说过胆碱能药物应用于不同的地方效果截然不同。在桥脑的最边缘部位（远外侧桥脑）进行微注射，和在靠近乙酰胆碱能神经元发现地的大脑区域注射效果大不相同，也能为我们提供有益的信息。我们看到了延迟而非即时的快动眼强化，还有一点尤其令人吃惊，就是这些药物确实即时增强了阵发波，而我们原以为是阵发波导致了快动眼睡眠的产生。但从与快动眼长时强化不一致来看，它们并不是快动眼的成因。此外，通过阵发波与快动眼睡眠暂时的解偶联，被延迟的强化作用持续时间会更长，可达6到10天，而中线网状结构在接受更多的注射后其持续时间也仅为4到6小时。
我们自己只是在慢慢理解这些发现，它们似乎要引领我们走向分子生物学领域而不是梦学理论。这可能和本领域的其他征象一样，意味着快动眼睡眠和DNA，这两个同为半个世纪以前的发现之间的鸿沟可能被填平。理由如下：网状结构——在此处的胆碱能刺激制造即时而短暂的快动眼强化——是触发带；相反，前面提到的外侧桥脑点——在此处产生的效果是阵发波即时增强和长时程快动眼睡眠强化——是控制区。这两者之间的差别在于，控制区事实上包含了胆碱能神经元，而触发带则没有。
正常情况下，快动眼睡眠（及梦）的时程和数量是由胆碱能神经元的兴奋水平控制的。这一水平取决于一系列遗传和环境因素，而这些因素又导致了睡眠或长或短的差别，这些差别则与正常发育、学习、记忆，甚至心境和个性相关。大脑-精神功能的正常发挥有赖于胆碱能系统在一定限度内的运行，该限度由生物学和行为学机制设定，而快动眼睡眠的化学微刺激理论有助于我们理解这些机制。
