巴甫洛夫在研究狗的高级神经活动时注意到这样一个现象，不同的狗对于同一强度的条件刺激所发生的反应是不同的。用铃声与食物配合进行训练，有的狗只训练一二次就形成了条件反射；有的狗则需要训练十几次才能达到预期的效果。在形成条件反射后，狗分泌的唾液量也不同，有的狗听到铃声每分钟能分泌10 滴唾液，有的狗至多只分泌5 滴唾液。已经形成的条件反射的巩固程度也不同，如果只让狗听到铃声却不给它吃食物，有的狗许多次以后还能分泌唾液，有的狗只几次就不分泌了。为什么会产生这些差别？
巴甫洛夫认为这是因为狗的大脑皮层兴奋过程的强弱不同。
同狗的大脑皮层兴奋过程的强弱不同一样，狗的大脑皮层的抑制过程也有强弱之分。巴甫洛夫做了这样一个试验，他以1000 赫兹和500 赫兹的音调刺激配合，前者给食物，后者不给食物，这样的反复若干次后，狗听到1000赫兹的音调时就分泌唾液，听到500 赫兹的音调时一点也不分泌唾液。对于这一现象巴甫洛夫称为分化抑制，即前者引起兴奋过程，后者引起抑制过程。
有的狗只要两种刺激交替出现几次，就能达到完全的分化，这说明这样的狗大脑皮层的抑制过程很强；有的狗则要许多次刺激才能达到完全的分化，这说明这样的狗大脑皮层的抑制过程很弱。
巴甫洛夫的研究表明，条件反射活动发生在大脑两半球的特定部位上。
兴奋和抑制过程是大脑皮层的两个基本神经过程：兴奋过程引起反射；抑制过程制止反射的出现。在它们的相互作用、相互制约与相互平衡和协调下实现机体对外界环境精确的适应性。
根据大脑兴奋过程与抑制过程的力量的强弱，这两种过程的强度是否均衡发展，以及这两种过程是否容易转变等三项特征的差异情形，巴甫洛夫把狗分为如下四种神经类型： 第一种为强而不均衡型，或称兴奋型。这一类型的特点是兴奋和抑制都很强，比较起来兴奋常占优势。这类型的狗富有攻击性，不容易约束。
第二种为镇静的强而均衡型。这一类型的特点是镇静、有节制而且警惕性高。
第三种为活泼的强而均衡型。这一类型的特点是活泼好动，反应灵敏。
第四种为弱型，或称抑制型。这一类型的特点是无论兴奋和抑制都很弱，但一般容易表现为抑制，比较胆小畏缩。
在这四个基本类型之外，还存着许多不同程度的中间类型。
巴甫洛夫认为对于神经活动类型的最后形成，除了先天特征性，每一个动物的生活史或机体生活条件所引起的变化，也起着很重要的作用。神经活动是两种神经行为的混合性，是类型与环境影响的综合。巴甫洛夫是这样说的：“类型是动物神经行为的先天的或固有的形式——遗传型。但是，既然动物从出生的那天起就受到各种不同环境的影响，它必须对于这些影响用一定的活动来作反应，而这些活动常常逐渐变得固定起来，以至于终身存在。
所以，动物最后所有的神经行为方式（遗传类型，也就是性格），是类型的特性与环境所造成的变化的混合物。”巴甫洛夫认为神经的主要遗传性质可能由环境对于机体的影响以及对机体施行一定的训练而予以改变。
巴甫洛夫在研究中发现，人的高级神经活动比动物大大发展了一步。人同样可以用光、声、嗅、触等感觉刺激作为信号，来形成各种条件反射，这些信号直接作用于眼、耳、鼻、舌、身等感受器官，这些都是现实具体的信号，这是与动物所共有的。此外，语言也可以引起条件反射反应，包括听到的语言和看到的文字，但并不是指它们的声音或形象，而是它们所包含的意义。例如，让小孩子吃糖，他一吃到糖就会有口水分泌，这是非条件反射。
他吃过几次后，见到糖也会馋得流口水，这就是条件反射，属于对具体的信号的反应。当这个小孩子懂得语言后，听到别人议论糖时，他也会有口水流出来，这就是小孩子对语言——也就是抽象信号的反应，这也是一种条件反射，是人类所特有的机能。
巴甫洛夫指出：引起人类条件反射的有两类性质不同的信号：第一信号是具体的信号，第二信号（语言）是抽象的信号。人脑有两个信号系统，第一信号系统是对第一信号发生反应的大脑皮层功能系统，第二信号系统是对第二信号系统发生反应的大脑皮层功能系统。动物只有一个信号系统，相当于人的第一信号系统，而人类才具有两个信号系统，这是人类区别于动物的主要特征。第二信号系统的发生与发展是人类社会的产物，人类由于社会劳动与相互交往产生了语言，这是人类对现实的概括和抽象化，人类借助它来表达其思维，并进行抽象的思维，属理性认识的生理基础。这也就使人类的高级神经活动和动物的高级神经活动有了本质上的区别。
巴甫洛夫根据神经的兴奋与抑制作用，把人类的神经类型分为三大类： 第一类为艺术型，这一类人的第一信号系统占优势，他们的形象的感情活动能力强，以画家、音乐家和作家为代表； 第二类为思想型，这一类人的第二信号系统占优势，他们的抽象的语言思维能力强，以数学家、语言学家和哲学家为代表； 第三类为中间型，这一类人具有第一信号系统和第二信号系统之间的活动能力，也就说没有哪一种特别发达。
在每个类型内，又有兴奋型、活泼型、安静型、抑制型之分，这反映出人类高级神经活动的个体差异。
对于上述人类神经的分类，巴甫洛夫自己也认为非常粗略。事实上，人的神经类型远比这些更为复杂，就是到今天仍在继续研究之中。
巴甫洛夫提出的两种信号系统学说，是有史以来第一次对人类特有的高级神经活动所做的科学论述，它为研究人类脑皮层的活动开辟了新的途径。
巴甫洛夫在研究高级神经活动基本规律和神经类型的同时，还研究了神经心理疾病的病理学原理。巴甫洛夫曾经对人类精神病、神经官能症进行过考察，发现这种病症是由于大脑皮层兴奋与抑制过程的平衡遭到破坏而引起的。巴甫洛夫认为神经系统的活动，在本质上具有兴奋和抑制两种过程，有时候，兴奋占优势，有时候，抑制占优势。大脑皮层的不同部位的细胞其兴奋和抑制状态也不相等，某一部分的细胞处于兴奋时，另一部分的细胞也许正处于抑制中。但就整个大脑皮层总的情况来说，人和动物在醒着的时候，兴奋占优势，而在睡眠的时候，抑制占优势。如果兴奋与抑制在大脑皮层内能很好地平衡，那么，高级神经活动就会处于协调状态，这时人类和动物的行为完全正常，如果兴奋与抑制的平衡被破坏了，大脑皮层的协调活动也必然要受到破坏，具体就表现为人和动物行为的失常。因此，兴奋和抑制的过度紧张，或兴奋与抑制的直接冲突，都可导致神经异常的出现，巴甫洛夫用了一系列实验来证实强烈刺激造成兴奋和抑制的过度紧张，是引起神经异常的直接原因。
1924 年9 月23 日，列宁格勒的涅瓦河闹水灾，河水淹没了巴甫洛夫实验室的动物房，巴甫洛夫和同事们全力抢救做实验用的狗。面对突然的水患，被关在笼子里的狗非常紧张和恐惧。虽然它们被救出来了，但是有的狗就因此得了神经异常症，先前形成的条件反射几乎完全没有了。巴甫洛地采用了各种方法进行训练，使其中一只狗在两个月后恢复了条件反射活动。然后，巴甫洛夫做了一个复现水灾场景的有趣实验，他把皮管接在水龙头上，在这只狗正在进行条件反射实验时，让水从门缝里流入实验室的地板，同时让他的助手们模拟发出水灾发生时的风啸声。那只狗的反应是迅速跳起来，两眼不安地注视着地面上的水，并企图从仪器架子上逃跑。原来造成条件反射的刺激信号，这时丝毫也不能引起这只狗的唾液分泌，倒是增加了它的兴奋状态，并且拒绝食物。显然这是由于强烈刺激造成的兴奋的过度紧张，造成这只狗神经异常症的出现。
巴甫洛夫为了说明因为抑制过程过度紧张也能引起神经异常症，曾做了如下实验：每次圆形光斑出现时就给狗吃食物，椭圆形光斑出现时不给它吃食物。如此反复出现，狗便对圆形光斑产生兴奋，对椭圆形光斑产生抑制。
椭圆长轴与短轴之比最初为2∶1，后来逐渐改为3∶2，4∶3，最后为9∶8，但是椭圆形的面积不变，并且和圆形的面积完全相等。由于差别越来越小，越来越不易分辨，所以其引起的抑制也就越来越强，狗就越来越紧张。当椭圆长短轴比达到9∶8 时，因为抑制过度紧张，结果有一天，这只狗的全部行为突然改变了。它开始嗥叫，并狂躁地咬仪器架子，不仅圆形光，连各种椭圆形的光都能引起它的唾液分泌反应。可见由于抑制的过度紧张，致使这只狗的大脑机能失调，产生了神经异常症。
巴甫洛夫还实验过：让狗接受一个兴奋性条件刺激之后，马上再接受一个抑制性刺激。在实验中，有的狗经受不住这种冲突得了神经异常症，这说明兴奋与抑制的直接冲突，也是产生神经异常症的一个因素。
神经异常症并不是在所有神经类型都会产生的。不同神经类型的动物发生神经异常症的可能性有所有不同：弱型也就是抑制型动物最容易得神经异常症，强而不均衡型，即兴奋型的动物也比较容易得神经异常症，而强而均衡型的动物则不容易发生神经异常症，但也不是完全不会发生。
巴甫洛夫在进行研究工作的同时，对睡眠的机制进行深入的探讨。从1918 年夏天起，巴甫洛夫就开始经常到列宁格勒一所精神病院去了解各种神经异常症的情况，特别对那种长期的所谓紧张症麻痹状态感兴趣。精神病院里有一位名叫卡察尔金的病人，从前患过一种病，在1896 年受过精神性创伤，从此进入嗜眠状态。他一直睡了22 年，借助橡皮管灌流汁维持生命，当年最早给他治病的医生已成为医学教授，教授的儿子即将从医科大学毕业，准备接替父亲继续给卡察尔金治病。巴甫洛夫对这位睡了22 年的病人进行了长时间的观察和研究，他认为，卡察尔金实际上并没有病，他的嗜眠只不过是大脑处于深度抑制状态，仿佛某些动物的冬眠。这种深度的抑制对于机体是有益的，而且是必要的，因为他的大脑需要休息，这是一种保护性的反应。
巴甫洛夫的观点是对的，果然，有一天，卡察尔金终于睡醒了，并且离开了医院，但他离开医院后就不知去向了，也许他在恍若隔世的街道上迷路走失了。这对于巴甫洛夫的科学研究实在是十分遗憾的。
为了进一步深入研究睡眠机制，巴甫洛夫希望能开设附属于其实验机构的神经病院和精神病院。1937 年，前苏联政府满足了巴甫洛夫的意愿，使他的研究工作得以更顺利地进行。巴甫洛夫根据他当年研究的结果提出，可以用药剂及其他办法促进睡眠、加深睡眠、并延长睡眠的时间，来治疗神经异常症的病人，这就是睡眠疗法。在神经病院里，巴甫洛夫对那些被医生认为没有治愈希望的病人实行睡眠疗法。这些病人经过长时间的睡眠逐渐恢复了正常。特别是那些在战争中因炮火受惊而患神经异常症的病人，经过睡眠疗法，大多数痊愈了。神经病学的专家非常佩服巴甫洛夫的研究成果，他们说：
“起初，我们以为你的方法白费，徒劳无功。现在，我们亲眼看到了你的成绩，不得不承认，睡眠疗法很有价值，很有意义。” 巴甫洛夫在一次医学会议上宣布了长期睡眠能治愈神经异常症的原因：
“睡眠具有保护能力，能使大脑细胞得到休息。对于因神经中枢过度紧张而得神经异常症的病人，人工引起沉睡，可以抑制脑细胞的活动，从而使患者恢复正常。” 巴甫洛夫广泛地研究高神经活动的各个方面，努力为大脑生理学开辟了新的研究领域，为生理学的发展作出很大贡献。由于他对高级神经活动的研究，曾再次被提名授予诺贝尔奖金，但是委员会认为其成果的重要早已被证明了，就没有进行专门的讨论。其实，按照巴甫洛夫的成就，他获得两次诺贝尔奖并不能说是过分的。
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