巴甫洛夫之所以能在心理学界成名，得益于他对条件反射的研究。要说他的研究机缘，那就必须提及他的老本行——消化研究。当时，巴甫洛夫正是对狗的消化研究，在一个偶然的机会找到了观测狗消化系统工作的方法，从而将他推向了心理学研究领域。经过反复试验之后 ，他得出了条件反射理论。后来，他的成果被行为主义学派所吸收，成为制约行为主义的最根本原则之一。
接下来，巴甫洛夫彻底把研究转到了神经研究上，但实验用的还是狗。在实验中巴甫洛夫发现，狗的有些反射是暂时的和可建立的，而有的反射是不需要条件的，从而证明了大脑和高级神经活动由无条件反射、条件反射双重反射形成的。在此基础上，他还提出了人与动物的神经不同在于：人除对外界直接影响的反应外，还有引起人高级神经活动发生重大变化的第二信号系统——语言。这也是人类特有的思维生理基础。
从1878～1890年，巴甫洛夫把研究的重点转移到了血液循环中神经作用的问题。在研究过程中，他在温血动物的心脏上发现了一种只能控制心跳的强弱特殊的营养性神经。后来人们把这种神经就称为“巴甫洛夫神经”。自此创立了神经营养学。
晚年的巴甫洛夫，对心理学的态度不再像年轻时那么仇视了。他还表示：“只要心理学是为了探讨人的主观世界，自然就有理由存在下去”，但对自己，他没有留下任何余地。即使在弥留之际，他唯一牵挂的就是不要后人称自己是心理学家。虽然如此，鉴于他对心理学领域的重大贡献，人们还是违背了他的“意愿”，并尊他为行为主义学派的先驱。
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