巴甫洛夫的條件反射學說在哲學上也具有重大的意義，條件反射學說同巴甫洛夫以後提出的兩個信號係統學說有力地證明了這樣一個觀點：人的主觀意識是客觀現實在人腦中的反映。巴甫洛夫以自己的科學研究成果為辯證唯物主義認識論提供了充分的自然科學基礎。
列寧領導的蘇維埃政府全力支持和關懷巴甫洛夫的科學研究工作，1923年，巴甫洛夫出版了《動物高級神經活動（行為）客觀研究二十年經驗》一書；他的《大腦兩半球機能講義》在1927年出版。這兩部著作全麵、係統的總結了巴甫洛夫及同事們20多年在高級神經活動方麵的科學研究成果，也是科學界的寶貴財富。
蘇維埃政府為了慶祝巴甫洛夫75歲誕辰，在蘇聯科學院裏建立了一所以他的名子命名的新的生理學研究院。為了慶祝他80歲誕辰，從1922年起，在列寧格勒（彼得堡）附近的科爾吐什村建築了一座特別的“新學城”。這個舉世無比的大規模的生理研究機構也是以他的名字命名的，人們稱之為巴甫洛夫城。研究院附設了治療神經病和精神病的醫院。使巴甫洛夫的理論與實際相結合的舊夢得以實現了：巴甫洛夫的研究院裏裝備著最新式的儀器；他的固定的科學和技術人員也增加了好多倍；還有比普通預算數字多得多的資金由他自己斟酌著使用；實驗室裏的科學研究成果也都能按期出版……總之，蘇維埃政府在物質和精神上大力支持巴甫洛夫的研究工作。
巴甫洛夫的工作精力極其旺盛，進入高齡仍積極從事科學研究工作。他十分熱愛自己的祖國，他同祖國科學的密切關係，使他同自己的祖國、同蘇維埃政權同命相連，使他堅決拒絕了外國研究機構的邀請，以更高的熱情忘我地投入科學研究之中。在他70多歲高齡時，他為自己又出了一個新的科學研究課題：在研究動物條件反射20多年的基礎上，開始研究人腦的活動，開始了他一生中第三個時期的科學研究工作。
五、神經類型和兩個4號係統的學說
巴甫洛夫在科爾吐什的研究院裏，提出了關於高級神經活動類型的學說和兩個信號係統的學說。
巴甫洛夫在研究狗的高級神經活動時注意到這樣一個現象，不同的狗對於同一強度的條件刺激所發生的反應是不同的。用鈴聲與食物配合進行訓練，有的狗隻訓練一二次就形成了條件反射；有的狗則需要訓練十幾次才能達到預期的效果。在形成條件反射後，狗分泌的唾液量也不同，有的狗聽到鈴聲每分鍾能分泌10滴唾液，有的狗至多隻分泌5滴唾液。已經形成的條件反射的鞏固程度也不同，如果隻讓狗聽到鈴聲卻不給它吃食物，有的狗許多次以後還能分泌唾液，有的狗隻幾次就不分泌了。為什麼會產生這些差別？巴甫洛夫認為這是因為狗的大腦皮層興奮過程的強弱不同。
同狗的大腦皮層興奮過程的強弱不同一樣，狗的大腦皮層的抑製過程也有強弱之分。巴甫洛夫做了這樣一個試驗，他以1000赫茲和500赫茲的音調刺激配合，前者給食物，後者不給食物，這樣的反複若幹次後，狗聽到1000赫茲的音調時就分泌唾液，聽到500赫茲的音調時一點也不分泌唾液。對於這一現象巴甫洛夫稱為分化抑製，即前者引起興奮過程，後者引起抑製過程。有的狗隻要兩種刺激交替出現幾次，就能達到完全的分化，這說明這樣的狗大腦皮層的抑製過程很強；有的狗則要許多次刺激才能達到完全的分化，這說明這樣的狗大腦皮層的抑製過程很弱。
巴甫洛夫的研究表明，條件反射活動發生在大腦兩半球的特定部位上。興奮和抑製過程是大腦皮層的兩個基本神經過程：興奮過程引起反射；抑製過程製止反射的出現。在它們的相互作用、相互製約與相互平衡和協調下實現機體對外界環境精確的適應性。
根據大腦興奮過程與抑製過程的力量的強弱，這兩種過程的強度是否均衡發展，以及這兩種過程是否容易轉變等三項特征的差異情形，巴甫洛夫把狗分為如下四種神經類型：
第一種為強而不均衡型，或稱興奮型。這一類型的特點是興奮和抑製都很強，比較起來興奮常占優勢。這類型的狗富有攻擊性，不容易約束。
第二種為鎮靜的強而均衡型。這一類型的特點是鎮靜、有節製而且警惕性高。
第三種為活潑的強而均衡型。這一類型的特點是活潑好動，反應靈敏。
第四種為弱型，或稱抑製型。這一類型的特點是無論興奮和抑製都很弱，但一般容易表現為抑製，比較膽小畏縮。
在這四個基本類型之外，還存著許多不同程度的中間類型。
巴甫洛夫認為對於神經活動類型的最後形成，除了先天特征性，每一個動物的生活史或機體生活條件所引起的變化，也起著很重要的作用。神經活動是兩種神經行為的混合性，是類型與環境影響的綜合。巴甫洛夫是這樣說的：“類型是動物神經行為的先天的或固有的形式——遺傳型。但是，既然動物從出生的那天起就受到各種不同環境的影響，它必須對於這些影響用一定的活動來作反應，而這些活動常常逐漸變得固定起來，以至於終身存在。所以，動物最後所有的神經行為方式（遺傳類型，也就是性格），是類型的特性與環境所造成的變化的混合物。”巴甫洛夫認為神經的主要遺傳性質可能由環境對於機體的影響以及對機體施行一定的訓練而予以改變。
巴甫洛夫在研究中發現，人的高級神經活動比動物大大發展了一步。人同樣可以用光、聲、嗅、觸等感覺剌激作為信號，來形成各種條件反射，這些信號直接作用於眼、耳、鼻、舌、身等感愛器官，這些都是現實具體的信號，這是與動物所共有的。此外，語言也可以引起條件反射反應，包括聽到的語言和看到的文字，但並不是指它們的聲音或形象，而是它們所包含的意義。例如，讓小孩子吃糖，他一吃到糖就會有口水分泌，這是非條件反射。他吃過幾次後，見到糖也會饞得流口水，這就是條件反射，屬於對具體的信號的反應。當這個小孩子懂得語言後，聽到別人議論糖時，他也會有口水流出來，這就是小孩子對語言——也就是抽象信號的反應，這也是一種條件反射，是人類所特有的機能。
巴甫洛夫指出：引起人類條件反射的有兩類性質不同的信號：第一信號是具體的信號，第二信號（語言）是抽象的信號。人腦有兩個信號係統，第一信號係統是對第一信號發生反應的大腦皮層功能係統，第二信號係統是對第二信號係統發生反應的大腦皮層功能係。動物隻有一個信號係統，相當於人的第一信號係統，而人類才具有兩個信號係統，這是人類區別於動物的主要特征。第二信號係統的發生與發展是人類社會的產物，人類由於社會勞動與相互交往產生了語言，這是人類對現實的概括和抽象化，人類借助它來表達其思維，並進行抽象的思維，屬理性認識的生理基礎。這也就使人類的高級神經活動和動物的高級神經活動有了本質上的區別。
巴甫洛夫根據神經的興奮與抑製作用，把人類的神經類型分為三大類：
第一類為藝術型，這一類人的第一信號係統占優勢，他們的形象的感情活動能力強，以畫家、音樂家和作家為代表；
第二類為思想型，這一類人的第二信號係統占優勢，他們的抽象的語言思維能力強，以數學家、語言學家和哲學家為代表；
第三類為中間型，這一類人具有第一信號係統和第二信號係統之間的活動能力，也就說沒有哪一種特別發達。
在每個類型內，又有興奮型、活潑型、安靜型、抑製型之分，這反映出人類高級神經活動的個體差異。
對於上述人類神經的分類，巴甫洛夫自己也認為非常粗略。事實上，人的神經類型遠比這些更為複雜，就是到今天仍在繼續研究之中。
巴甫洛夫提出的兩種信號係統學說，是有史以來第一次對人類特有的同高級神經活動所做的科學論述，它為研究人類腦皮層的活動開避了新的途徑。
巴甫洛夫在研究高級神經活動基本規律和神經類型的同時，還研究了神經心理疾病的病理學原理。巴甫洛夫曾經對人類精神病、神經官能症進行過考察，發現這種病症是由於大腦皮層興奮與抑製過程的平衡遭到破環而引起的。巴甫洛夫認為神經係統的活動，在本質上具有興奮和抑製兩種過程，有時候，興奮占優勢，有時候，抑製占優勢。大腦皮層的不同部位的細胞其興奮和抑製狀態也不相等，某一部分的細胞處於興奮時，另一部分的細胞也許正處於抑製中。但就整個大腦皮層總的情況來說，人和動物在醒著的時候，興奮占優勢，而在睡眠的時候，抑製占優勢。如果興奮與抑製在大腦皮層內能很好地平衡，那麼，高級神經活動就會處於協調狀態，這時人類和動物的行為完全正常，如果興奮與抑製的平衡被破環了，大腦皮層的協調活動也必然要受到破壞，具體就表現為人和動物行為的失常。因此，興奮和抑製的過度緊張，或興奮與抑製的直接衝突，都可導致神經異常的的出現，巴甫洛夫用了一係列實驗來證實強烈刺激造成興奮和抑製的過度緊張，是引起神經異常的直接原因。
1924年9月23日，列寧格勒的涅瓦河鬧水災，河水淹沒了巴甫洛夫實驗室的動物房，巴甫洛夫和同事們全力搶救做實驗用的狗。麵對突然的水患，被關在籠子裏的狗非常緊張和恐懼。雖然它們被救出來了，但是有的狗就因此得了神經異常症，先前形成的條件反射幾乎完全沒有了。巴甫洛地采用了各種方法進行訓練，使其中一隻狗在兩個月後恢複了條件反射活動。然後，巴甫洛夫做了一個複現水災場景的有趣實驗，他把皮管接在水籠頭上，在這隻狗正在進行條件反射實驗時，讓水從門縫裏流入實驗室的地板，同時讓他的助手們摹擬發出水災發生時的風嘯聲。那隻狗的反應是迅速跳起來，兩眼不安地注視著地麵上的水，並企圖從儀器架子上逃跑。原來造成條件反射的激刺信號，這時絲毫也不能引起這隻狗的唾液分泌，倒是增加了它的興奮狀態，並且拒絕食物。雖然這是由於強烈刺激造成的興奮的過度緊張，造成這隻狗神經異常症的出現。
巴甫洛夫為了說明因為抑製過程過度緊張也能引起神經異常症，曾做了如下實驗：每次圓形光斑出現時就給狗吃食物，橢圓形光斑出現時不給它吃食物。如此反複出現，狗便對圓形光斑產生興奮，對橢圓形光斑產生抑製。橢圓長軸與短軸之比最初為2：1，後來逐漸改為3：2，4：3，最後為9：8，但是橢圓形的麵積不變，並且和圓形的麵積完全相等。由於差別越來越小，越來越不易分辨，所以其引起的抑製也就越來越強，狗就越來越緊張。當橢圓長短軸比達到9：8時，因為抑製過度緊張，結果有一天，這隻狗的全部行為突然改變了：它開始嗥叫，並狂躁地咬儀器架子，不僅圓形光，連各種橢圓形的光都能引起它的唾液分泌反應。可見由於抑製的過度緊張，致使這隻狗的大腦機能失調，產生了神經異常症。
巴甫洛夫還實驗過：讓狗接受一個興奮性條件刺激之後，馬上再接受一個抑製性剌激。在實驗中，有的狗經受不住這種衝突得了神經異常症，這說明興奮與抑製的直接衝突，也是產生神經異常症的一個因素。
神經異常症並不是在所有神經類型都會產生的。不同神經類型的動物發生神經異常症的可能性有所有不同：弱型也就是抑製型動物最容易得神經異常症，強而不均衡型，即興奮型的動物也比較容易得神經異常症，而強而均衡型的動物則不容易發生神經異常症，但也不是完全不會發生。
巴甫洛夫在進行研究工作的同時，對睡眠的機製進行深入的探討。從1918年夏天起，巴甫洛夫就開始經常到列寧格勒一所精神病院去了解各種神經異常症的的情況，特別對那種長期的所謂緊張症麻痹狀態感興趣。精神病院裏有一位名叫卡察爾金的病人，從前患過一種病，在1896年受過精神性創傷，從此進入嗜眠狀態。他一直睡了22年，借助橡皮管灌流汁維持生命，當年最早給他治病的醫生已成為醫學教授，教授的兒子即將從醫科大學畢業，準備接替父親繼續給卡察爾金治病。巴甫洛夫對這位睡了22年的病人進行了長時間的觀察和研究，他認為，卡察爾金實際上並沒有病，他的嗜眠隻不過是大腦處於深度抑製狀態，仿佛某些動物的冬眠。這種深度的抑製對於機體是有益的，而且是必要的，因為他的大腦需要休息，這是一種保護性的反應。巴甫洛夫的觀點是對的，果然，有一天，卡察爾金終於睡醒了，並且離開了醫院，但他離開醫院後就不知去向了，也許他在恍若隔世的街道上迷路走失了。這對於巴甫洛夫的科學研究實在是十分遺憾的。
為了進一步深入研究睡眠機製，巴甫洛夫希望能開設附屬於其實驗機構的神經病院和精神病院。1937年，蘇聯政府滿足了巴甫洛夫的意願，使他的研究工作得以更順利地進行。巴甫洛夫根據他當年研究的結果提出，可以用藥劑及其他辦法促進睡眠、加深睡眠、並延長睡眠的時間，來治療神經異常症的病人，這就是睡眠療法。在神經病院裏，巴甫洛夫對那些被醫生認為沒有治愈希望的病人實行睡眠療法。這些病人經過長時間的睡眠逐漸恢複了正常。特別是那些在戰爭中因炮火受驚而患神經異常症的病人，經過睡眠療法，大多數痊愈了。神經病學的的專家非常佩服巴甫洛夫的研究成果，他們說：“起初，我們以為你的方法白費，徒勞無功。現在，我們親眼看到了你的成績，不得不承認，睡眠療法很有價值，很有意義。”