Главным методологическим оружием И. П. Павлова стало, как мы уже говорили, разработанное им учение об условных рефлексах. Ученый обратил внимание, что рефлекторная реакция у экспериментальных животных возникает не только в ответ на адекватный раздражитель (выделение слюны под влиянием пищи, отдергивание лапы в ответ на укол и т. п.), названный им безусловным, но и на сигнал, многократно предшествовавший безусловному раздражителю (звук шагов служителя, несущего пищу, световой сигнал, обычно вспыхивающий перед нанесением животному укола, и т. п.). Так как этот сигнал "зависит от многих условий, постоянно колеблется в зависимости от многих условий", он и был назван условным, а реакция на него - условным рефлексом. В отличие от прирожденного, видового, безусловного рефлекса, он вырабатывается в процессе накопления жизненного опыта и обучения. Павлов считал его аналогом того, что психологи называют ассоциацией, и оценивал как центральное физиологическое явление в нормальной работе больших полушарий. Базой для индивидуально приобретенных условных рефлексов являются врожденные безусловные рефлексы. Чтобы условный рефлекс образовать и затем сохранить, необходимо многократное сочетание безусловного и индифферентного, становящегося со временем условным, раздражителей.
Метод вызывания и изучения условных рефлексов позволил Павлову открыть ряд физиологических актов, характеризующих деятельность мозга, в том числе возбуждение и торможение. В ходе исследований Павлов смог установить принципы работы больших полушарий и опытным путем доказать материальность процессов, лежащих в основе психической деятельности.
Кроме того, Павлов разработал учение о первой и второй сигнальной системах. Первая из них реагирует на раздражители, непосредственно воспринимаемые органами чувств, она имеется как у человека, так и у животных. Вторая же сигнальная система развита только у людей, так как возникла в связи с появлением речи и адекватным раздражителем для нее является слово.
Многолетние наблюдения за работой головного мозга дали возможность Павлову внести важный вклад в учение о локализации функций в коре больших полушарий. В связи с этим он писал: "...кору больших полушарий можно рассматривать как мозаику, состоящую из бесчисленной массы отдельных пунктов с определенной физиологической ролью... Мы имеем в ней сложную динамическую систему, постоянно стремящуюся к объединению (интеграции) и к стереотипности объединенной деятельности".
