20世纪初，在俄国一间动物实验室里，一次具有历史意义的实验正在进行。实验者在屏幕上分别打出圆形和细长的椭圆形的图形。当一条实验狗看到圆形时，实验者就给它喂食；当狗看到的是椭圆形时，则不但不给它喂食，还要对它实施电击。
这样的实验进行过几次以后，狗只要看到圆形出现，就会显得很兴奋，口腔里会自动分泌唾液；当遇到椭圆时，则情绪烦躁，惶恐不安，口腔中也没有唾液出现。
当这种关系建立起来后，实验者开始改变圆和椭圆的外形，使圆形越来越像椭圆形，椭圆形越来越像圆形。
狗不断地在圆和越来越圆的椭圆之间进行区别，直到椭圆的轴率为7：8。助手接着使椭圆的轴率变成8：9，这时，令人不可思议的情景出现了：此前一直非常安静的狗开始在其所站的位置上狂吠起来，四下扭动，用牙齿咬掉对皮肤进行机械刺激的仪器，甚至把连接动物室与观察室的管子也咬破了。
那条狗因为再也无法准确地辨识圆形与椭圆形，终于“疯”了。
进行这项实验的是俄罗斯著名生理学家伊凡？巴甫洛夫。
伊凡？巴甫洛夫（1849-1936）出生在俄国中部的一个农庄里，父亲是当地的东正教牧师，母亲也是一个牧师的女儿，巴甫洛夫的远大前程则是承袭家庭传统。没过多久，沙皇亚历山大二世颁布法令，使家庭贫穷但有天赋的孩子可以免费上学。巴甫洛夫两个条件全都符合，于是得以接受小学和中学教育。在中学阶段，巴甫洛夫开始接触达尔文的《物种起源》和俄国生理学家伊凡？塞基洛夫的《大脑反射》，在他的人生里经历了一段类似转教的过程。最后，他放弃当牧师的计划，辍学来到圣彼德堡大学（同样也因为沙皇的慷慨），专攻自然科学。塞基洛夫当时正是这里的生理学教授。
1875年，巴甫洛夫以优异成绩毕业于该校，继续研究医学，但其目标是从事研究，而不是实习。而且，他得靠当助手的微薄薪水养活自己，1881年之后，还得养活妻子。当时，在俄国，年轻科学家的机会远少于西方国家，因而，尽管巴甫洛夫拥有出众的才能，在生理学研究中也有令人瞩目的成就，但在其一生的许多个年头里，他的全家一直过着捉襟见肘的生活。
然而，他过于执著于自己的工作，根本无暇顾及日常生活的窘迫。他是不食人间烟火的知识分子的象征。订婚之后，他没有花钱为情人买一件奢侈品，只为她买过一样实用的东西，那是一双鞋，是给她出远门时换用的。然而，未婚妻在到达目的地并打开行李时，发现里面只有一只鞋。她写信诘问，他的回答是：“别找了。我将其视作一件可以记起你的信物而放在桌子上了。”结婚以后，他们几乎就生活在贫困之中。他经常忘记领月薪，总是妻子提醒方才拿回来。一年冬天，他因无钱买燃料而冻死了一群他养在家中以研究蜕变现象的蝴蝶。妻子穷极了，发出几句牢骚，巴甫洛夫听到后恼怒地说：“滚开一点儿，我正心烦着呢。蝴蝶死光了，你却在这里抱怨那些愚不可及的小事。”
但在实验室里，巴甫洛夫却非常实际，几乎是个完美主义者，做事有条有理。他希望自己的助手全都按照他的标准做事，稍不到位，便会遭到惩罚或开除，且不问原因。在大革命期间，一名雇员迟到了，巴甫洛夫对其严加责问，迟到者说，街上出现巷战，他差点连命都丢了。巴甫洛夫震怒地回答，这构不成理由，对科学的贡献应该超过其他一切动机。按照常规，巴甫洛夫当即将其解雇。
巴甫洛夫的成功姗姗来迟。1891年，在巴甫洛夫42岁时，他终于被圣彼德堡军事科学院任命为教授，几年之后，又被圣彼德堡大学任命为教授。有了这些扎实的基础，他开始组建实验医学研究所，并将人生的后四十年花费在该所里。在19世纪90年代，他的主要工作是研究消化系统，通过外科手术切开实验狗的胃部，在里面植入一根带管的小囊。这使他得以观察胃的反射（狗开始吃食时胃液的分泌），而又不让食物污染胃液。他的发现使其获得1904年的诺贝尔医学奖。1907年，他成为俄国科学院院士，从而到达俄国科学界的巅峰。
在1897至1900间，在对胃的反射研究中，巴甫洛夫注意到一种奇怪而又令人困扰的现象：狗在不喂食时，也会分泌出胃液和唾液。比如，还没有到达正式的喂食时间，只要看见喂养者或听到喂养者的声音，它就会分泌胃液与唾液。起初，巴甫洛夫认为这非常烦人，因其有可能影响消化分泌物的数据。后来他想，一定有什么原因可以解释狗为何在没有食物时也在嘴里或胃里产生分泌液。显而易见的解释是，狗“意识”到进餐时间即将来到，于是自动产生分泌物。然而，一向反对心理学的巴甫洛夫对这些主观猜想根本不信。
巴甫洛夫极不情愿对此事进行研究，但最后还是决定了解一下，因为在他来看，这完全是一种生理学现象――看见喂养者或听到喂养者的声音的刺激，在狗的大脑里产生一种反射，该反射引起了“精神性分泌”。1902年，他开始研究这种与腺体反应没有固定联系的刺激在什么时候以什么方式引起这种反应。终其一生，他一直在对此进行研究。
巴甫洛夫虽是外科专家，却并没有为这项研究创造过一只胃囊。由于狗一看到喂食者即产生胃液与唾液，他只需在唾液腺体上做一只简单的小囊，并将其挂在高处，导入一个收集和记录的装置就可以了。狗在接受训练后可以站在桌子上一动不动，因为这样可以得到奖赏、抚弄和喂食。为了逗人高兴，它往往不等人命令就自己跳到桌子上，极有耐心地站在上面，脖子上松松地挂着套圈，连接在一些检测装置上。套圈很有必要，因为它可用来保证检测装置、连接小囊与收容器和记录筒的橡皮管不受损坏。狗面对一扇带窗的墙，前面有一只喂食桶，食物可通过机械装置倒进该桶。
食物一到狗的口里，其唾液即自动溢出。由于这是一种不需要训练的反射，巴甫洛夫将食物叫做“非条件刺激”，将这种唾液反应叫做“非条件反射”。然而，他所要研究的是中性的刺激与同样的反射之间的联系。最典型的模式是，为了不对狗形成信号作用，实验者在狗看不到的地方发出响声。响声可通过摇铃或按蜂鸣器产生，且能引起食物倒向喂食桶，倾倒的时间差为五到三十秒。起初，铃声或蜂鸣器声只会引起一般反射狗竖起耳朵――但不出现唾液反射。但在几轮试验之后，仅这种声音就可使狗的唾液自动溢出。按巴甫洛夫的说法，声音已变成引起唾液反应的“条件刺激”，唾液反应则已成为声音的“条件反射”。
巴甫洛夫及其助手们变换出各种形式继续这个实验。他们常不用声音，而使用闪烁的灯光，或在窗外转动一个物体，或操纵某个可碰触到狗的仪器，或拉动狗圈的某个部位，或变换中性刺激与喂食之间的时间差等。在所有情况下，中性刺激都可变成条件刺激，只是其难易程度略有不同。中性气体（非食物气味）约需二十多次才能成为条件刺激，在狗的视力所及之处转动物体仅需要五次，高声的蜂鸣器仅只一次就够了。
心理学家可能将这种条件形成过程称作联想认知，但巴甫洛夫却用生理学的术语对其进行了解释。他向导师塞基洛夫和第一个提出反射学说的笛卡尔表示谢意，并指出，非条件反应，比如将食物放进嘴里时出现的唾液反应，是大脑反应，是存在于脊柱或下脑中枢中的感觉和运动神经之间的直接连接。相比较而言，条件反射，比如听到铃声或其他中性刺激的声音时出现唾液现象，是条件过程在大脑皮层里建立新的反射通道的结果。
巴甫洛夫以详尽的细节阐述了他的大脑定位反射理论，以支持其就条件形成所获得的发现。但在除俄国之外的其他地方，这个学说大多遭到人们的忽视，在美国甚至遭到心理学家卡尔拉什利（Karl Lashley）的全盘否定。拉什利切除了老鼠不同部位和不同量的大脑皮质，再让其学习迷宫走法，发现老鼠学习能力的缺失与任一具体的皮层区的损坏没有关系，只与切除掉的总量产生关系。
然而，巴甫洛夫的生理学理论丝毫没有影响人们对其实验数据和条件反射法则的热烈欢迎程度，大家都认为这是对心理学研究的极大贡献。
巴甫洛夫相信，他已经找到了动物和人类认知的基本单元。他说，所有学习得来的行为，不管是在学校里还是在外面获得的，“只不过是一长串的条件反射”，其获得、保持和消失均受到他和他的助手们所发现的一些定律的控制。他的思想深刻地影响了俄国20世纪初期至50年代的心理学，但在西方，许多年里它一直鲜为人知，即使巴甫洛夫于1904年在诺贝尔获奖致辞里已经提及条件反射。