在此基礎上，巴甫洛夫又研究了神經係統對心髒的影響。他打開了狗的胸腔，發現狗的心髒上，布滿了密密麻麻的、像蜘蛛網似的細小神經。這些細小神經都與中樞神經連結一起。
巴甫洛夫用一根通了電的針頭，去刺激每一根細小的神經，試圖分辨出各條神經究竟對心髒起什麼作用。結果，他發現有兩種神經起著相反作用：一種能夠增強心髒跳動的力量，另一種能夠減弱心髒跳動的力量。
巴甫洛夫還發現，如果心髒因為疲勞或中毒忽然停止跳動，用帶電流的針頭去刺激這些神經纖維，就能夠幫助已停止跳動的心髒重新恢複跳動。
這一發現，對醫生治療心髒病患者作用非常大。所以，人們為表彰巴甫洛夫在醫學上的貢獻，就把這種神經纖維稱做“巴甫洛夫神經”。
巴甫洛夫把這一發現，寫成了一篇名叫《心髒的傳出神經支配》的論文。他因此獲得了博士學位和一枚金質獎章，並且被派往國外考察了兩年。
從國外回來後，巴甫洛夫開始了對高級動物消化係統的研究。
巴甫洛夫的助手對他從事這項新的研究不理解，問道：
“老師，你為什麼要放棄原來的課題，而研究消化係統呢？”
“談不上是‘放棄’。”巴甫洛夫解釋說，“隻是比過去的研究更深一些，更具體些，也更難一些。”
“這項研究要達到什麼目的呢？”
“大家知道，狗吃的東西和人吃的東西差不多，比如吃麵包、吃肉等等。通過觀察狗消化食物的過程，就能弄清人類消化食物的秘密，從而達到治療人的腸胃病的目的。”
怎樣才能觀察到狗消化食物的過程呢？巴甫洛夫先把狗全身麻醉，切開狗的胃，然後把一根用銀針製作的細管子插到胃裏，再把傷口縫合起來。待傷口愈合後，狗身上就有了一個通向它的胃部的小孔，透過這個孔，可以看到狗把所吃下的東西送到胃裏以後，是怎樣消化食物的情景了。
通過觀察，巴甫洛夫和他的助手們發現，食物主要是由胃液和胰液分解、消化的。那麼，胃液和胰液是從哪產生的呢？經過反複研究和試驗，巴甫洛夫找到了一個辦法。他把狗胃裁開一小塊，縫合成一個小胃。小胃的開口處放在狗的腹部皮膚的外邊，與大胃之間保持著血液循環和神經聯係。狗吃食物時，小胃也能分泌出胃液來。小胃像一麵鏡子，從外麵可以看到胃液的分泌情況。
巴甫洛夫在製造這個小胃的時候，遇到過許多複雜的技術困難，花了大半年時間，死了幾十條狗。他的一些同事和朋友都認為手術不可能成功，勸他放棄。
巴甫洛夫回答說：
“當然有很多問題等待著我們去研究。可是，要想取得成果，就不可能沒有困難。有困難就放棄，遇到挫折就灰心，那我們永遠也幹不成一件事情。”
巴甫洛夫堅持試驗，終於獲得了成功。通過這個人造“小胃”，他觀察到了胃液是由布滿在胃壁上的一支神經（叫做“迷走神經”）產生的。迷走神經把狗吃食物的信號傳給大腦，大腦便發出指令，經過消化腺的調節，再通過胰液就分泌出胃液來了。
他用人工方法製造的小胃，被稱為“巴甫洛夫小胃”。
巴甫洛夫沒有停留在已經取得的成績上，而是決定研究更複雜、更難的問題。這個問題就是，狗見到食物時為什麼常常流口水？