A partire dal 1950, Kleitman e il suo studente William Dement ridefinirono le tecniche di registrazione del sonno usate sino ad allora, incorporando anche strumenti di misurazione del movimento oculare e dell'attività cerebrale (rispettivamente EOG e EEG). La svolta, che segnò anche la nascita della moderna medicina del sonno, arrivò nel settembre del 1953, quando Eugene Aserinsky, uno studente di Kleitman, notò per la prima volta quello che successivamente venne definito "movimento rapido degli occhi" (REM). Inizialmente, un parziale movimento degli occhi venne riscontrato durante l'insorgenza del sonno nei neonati; a questi periodi di movimento oculare si alternavano periodi di stasi. Per verificare l'attendibilità di tale fenomeno Kleitman e il suo collaboratore verificarono se anche negli uomini adulti era possibile riscontrare una simile alternanza. Dopo numerose notti passate a osservare individui dormienti in attesa del movimento oculare, Aserinsky finalmente lo individuò. Inoltre, grazie all'EEG e all'EOG, Kleitman scoprì che al sonno REM sono associate intense onde cerebrali, simili a quelle caratteristiche di un'intensa attività psichica. Il sonno REM venne pertanto definito da Dement "sonno paradosso". Per determinare da cosa fosse determinata questa peculiarità del sonno REM, Kleitman condusse altri esperimenti, basati nello svegliare i pazienti nelle diversi fasi del sonno. Kleitman notò che i pazienti svegliati durante il sonno REM ricordavano dettagliatamente il sogno fatto; invece i pazienti svegliati durante il sonno non REM raramente ricordavano il contenuto del proprio sogno. L'intensa attività cerebrale tipica del sonno REM fu quindi associata all'attività onirica. Successivamente, anche se la scoperta dei movimenti oculari in opposizione di fase venne pubblicata su riviste importanti quali "Science" e "The Journal of Applied Physiology", numerose erano ancora le perplessità riguardanti il sonno, visto ancora come un semplice processo passivo. Fu così che nel 1954 Kleitman decise di registrare le prove del sonno REM, riprendendo sé stesso durante il sonno. Dement, che fu incaricato di fare le riprese, non riuscì mai a registrare il sonno REM del suo maestro, a causa della sua grande fragilità (infatti anche il più piccolo rumore perturbava il sonno di Kleitman). Fu così selezionato come soggetto delle riprese il venticinquenne Faylon Brunemeyer. Le riprese che seguirono furono ottime.