1878年至1890年，巴甫洛夫重点研究血液循环和神经系统作用的问题，当时，神经系统对于许多器官的支配作用和调节作用还没有被人们清楚地认识。在极为恶劣的工作条件下，巴甫洛夫坚持研究。他发现了胰腺的分泌神经。不久，他又发现了温血动物的心脏有一种特殊的营养性神经，这种神经只能控制心跳的强弱，而不影响心跳的快慢。科学界人士把这种神经就称为“巴甫洛夫神经”。巴甫洛夫自此开辟了生理学的一个新分支——神经营养学。1883年写成“心脏的传出神经支配”的博士论文。获得帝国医学科学院医学博士学位，讲师职务和金质奖章。1884-1886年期间，赴德国莱比锡大学路德维希研究室进修，继续研究心脏搏动的影响机制。此时，他提出心脏跳动节奏与加速是由两种不同的肌肉在进行，而且是由两种不同的神经在控制。1886年，他自德国归来后重回大学是实验室，继续进行狗的“心脏分离手术”。1887年，他逐渐将研究的方向转向人体的消化系统。从1888年开始，巴甫洛夫对消化生理进行研究。他发明了新的实验方法，不是用被麻醉的动物做急性实验（每次实验完了，动物也就死掉了）而是用健康的动物做慢性实验，从而能够长期观察动物的正常生理过程。他还创造了多种外科手术，把外科手术引向整个消化系统，彻底搞清了神经系统在调节整个消化过程中的主导作用。他还发现分布在胃壁上的第十对脑神经迷走神经与胃液的分泌有关。用同样的方法分泌胃液，迷走神经切断，就不再分泌。但如果不假饲，只刺激迷走神经，也能分泌胃液。是什么东西对迷走神经产生了刺激？原来味觉器官感受到了食物刺激，便会通过神经传给大脑，通过大脑传给迷走神经让胃液分泌。这就是条件反射学说。为此他领取了“诺贝尔奖”的生理学医学奖。他是第一个享受的这个荣誉的俄国科学家。巴甫洛夫因在消化生理学方面的出色成果而荣获1904年诺贝尔生理学和医学奖金，成为世界上第一个获得诺贝尔奖的生理学家。从1903年起，巴甫洛夫连续30多年致力于高级神经活动的研究。通过长时间的研究，他发现了大脑皮层机能的活动规律。巴甫洛夫创立的动物和人类高级神经活动的学说，给唯心主义心理学以致命的打击，为创立科学的唯物主义心理学奠定了基础。晚年的巴甫洛夫转向精神病学的研究，认为人除了第一信号系统（即对外部世界直接影响的反应）外，还有第二信号系统，即引起了人的高级神经活动发生重大变化的语言。巴甫洛夫的第二信号系统学说解释了人类所特有的思维生理基础。十月革命的初期，俄国人民生活极端贫困但巴甫洛夫并未停止研究。巴甫洛夫是专心投入学术研究的典型学者，只专心研究，不注意衣食住行生活细节。他结婚时即同他妻子约定，妻子不干涉他的研究，他不负责家庭事务，并向妻子承诺，不饮酒、不打牌、不应酬，每年9月至次年5月，每周工作7天，只有暑假陪妻子到乡下度假。70岁以后，巴甫洛夫每天仍乘电车上班，有次电车尚未停稳，就从车上跳下来，跌倒在地，路旁一位老妇人惊叫说：“天啊！看这位天才科学家连电车都不会搭！”巴甫洛夫的工作热忱一直维持到逝世为止，最后他在病中挣扎起床穿衣时，因体力不支倒在床上逝世。巴甫洛夫逝世后，苏联政府在他的故乡梁赞建造了巴甫洛夫纪念馆，并设立纪念碑。巴甫洛夫关于消化道的研究是首先把狗的食道经过手术切断，把切断的食道两端缝在狗脖子的皮肤上，然后让狗饿上一天以后，把这只饥饿的狗拉到了实验室，在狗的面前放一盘鲜肉，狗一见鲜肉，便贪馋地吞了起来，咀嚼了几下就咽下去了。可是不一会儿，咽下去的肉又掉到了食盘里，这是因为食道已被切断，肉根本进不了胃里，狗依然贪婪地吃着，盘子里的肉始终是那么多。这只狗徒劳地吃了四五分钟后，奇怪的现象出现了，在通向狗胃的一根像皮管里流出了大量的胃液。胃液不断分泌，是狗的第十对脑神经——迷走神经的冲动引起的。巴甫洛夫对这只狗的迷走神经也动过手术，已在上面引出一根丝线。现只要他稍微提动一下丝线，就切断了脑与胃之间的联系。结果狗尽管还是在不断地吞咽鲜肉，但胃液却停止分泌了。这就是著名的“假饲”实验，它可以使人们观察到狗的消化腺的分泌情况。在他的研究实验中，出现了一种奇怪的现象，即随着时间的推移，他发现当狗只要一看见食物，唾液分泌量就增加，在实际吃到食物以前就已经分泌唾液了，他把这种现象叫做“心因性分泌”。同事们为此提出了在当时的心理学界比较通行的“内省法”来研究狗的唾液分泌现象（站在狗的立场思考），但这并没有真正解决疑问。这种现象同时引起了巴甫洛夫的兴趣，开始了他对条件作用的研究。他又给一条狗动了手术，在狗的腮帮子上开个小孔，用一根细细的导管安在它的一个唾液腺上。当狗吃东西流唾液的时候，一部分唾液就通过导管流到了外面。巴甫洛夫通过实验发现，只要食物落到狗的口中，它就会泌出唾液，如果食物是湿的，分泌的唾液就少些，食物是干的，分泌的就多些。这种反射活动是狗和其它一切动物生来就有的，巴甫洛夫称它为非条件反射。但后来的实验中，他又发现一个非常重要的事实，除了食物刺激口腔会引起狗的唾液分泌以外，其他的刺激，比如光、声音等的刺激，也能引起狗的唾液分泌。1903年，巴甫洛夫在马德里的国际医学年会上宣读了他的实验和研究报告，认为条件反射是高等动物和人类对环境作出反应的生理机制，1904年，诺贝尔奖基金会该年度的生理学和医学奖金，授予了巴甫洛夫，巴甫洛夫是世界生理学家中第一个享有这种荣誉的科学家。巴甫洛夫做了一个相当著名的实验，他利用狗看到食物或吃东西之前会流口水的现象，在每次喂食前都先发出一些信号（一开始是摇铃，后来还包括吹口哨、使用节拍器、敲击音叉、开灯……等等），连续了几次之后，他试了一次摇铃但不喂食，发现狗虽然没有东西可以吃，却照样流口水，而在重复训练之前，狗对于“铃声响”是不会有反应的。他从这一点推知，狗经过了连续几次的经验后，将“铃声响”视作“进食”的信号，因此引发了“进食”会产生的流口水现象。这种现象称为条件反射，这证明动物的行为是因为受到环境的刺激，将刺激的讯号传到神经和大脑，神经和大脑作出反应而来的。条件反射的情境涉及四个事项，两个属于刺激，两个属于机体的反应。一个是中性刺激，它在条件反射形成之前，并不引起预期的、需要学习的反应。这是条件刺激（CS），在巴甫洛夫的实验中就是铃响。第二个刺激是无条件刺激（UCS）。它在条件反射形成之前就能引起预期的反应：条件反射形成之前，出现了肉，即UCS，就引起唾液分泌。对于无条件刺激的唾液分泌反应叫作无条件反应（UCR）。这是在形成任何程度的条件反射之前就会发生的反应。由于条件反射的结果而开始发生的反应叫作条件反应（CR），即没有肉，只有铃响的唾液分泌反应。当两个刺激紧接着（在空间和时间上相近），反复地出现，就形成条件反射。通常，无条件刺激紧跟着条件刺激出现。条件刺激和无条件刺激相随出现数次后，条件刺激就逐渐引起唾液分泌。这时，动物就有了条件反应。
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