作為神經過程之相互矛盾的狀態而發生於動物和人的大腦皮質中的興奮和抑製，是大腦兩半球皮質的辨別活動和概括活動的基礎。但是，作用於有機體的周圍外界中的無數刺激物並不引起皮質中樞之恒常而積極的活動和無秩序的活動。隻有那些在時間上經常反複地與無條件刺激物相聯係的外界的刺激物才能引起有機體的積極反應。其餘的則逐漸地消失了，被抑製了。經常受不到強化的刺激物則不僅不能興奮，反而抑製有機體的積極活動。
巴甫洛夫在條件反射研究的基礎上，以許多事實確定了實驗動物睡眠的條件以及有機體由清醒狀態轉到睡眠的各種過渡狀態。當抑製刺激物在兩者之間作用時，實驗用的狗經常陷入嗜眠狀態，有時完全沉入酣睡之中。
根據巴甫洛夫的高級神經活動學說的觀點，睡眠是普遍彌漫的抑製。這抑製不僅包括大腦兩半球皮質，而且也包括皮下中樞。
由此可見，如果已形成的抑製刺激物能引起某種發揮機能的神經中樞或中樞組的全麵的或局部的睡眠（抑製），則正常的睡眠也就是在外界刺激物以及來自內部器官的衝動停止其對各相應的中樞作用時，皮質處於普遍彌漫的抑製狀態。
巴甫洛夫在工作進程中曾確定：似睡狀態或清醒與睡眠之間的狀態必伴隨有皮質條件反射活動的特殊變化。這時就會破壞處於作用中的刺激力與效果間的正常關係。如果在有機體處於清醒狀態時，強的刺激物會比弱的刺激物引起更大的效果，而在過渡狀態時就會均等起來（均等相），也可能得出與外界刺激物的力量相反的效果（反常相），或者甚至於以相反的反應來回答，即陽性的刺激物引起陰性的效果，未強化的刺激物、陰性的刺激物引起陽性的、強化的效果（超反常相）。均等相和反常相是走向超反常相的過渡狀態。
巴甫洛夫對夢也有獨到的研究和解釋：酣睡時，當人的整個大腦皮質處於普遍彌漫的抑製狀態時夢就不會出現。隻是在大腦皮質處於過渡的、半睡的狀態時，當外來的發揮作用的刺激物或活躍起來的痕跡（回憶）在某種程度上引起大腦皮質反常作用時，夢才會出現。夢是大腦兩半球皮質的某些部分因此前獲得的刺激仍繼續處於興奮狀態，以至於未能全麵地、深沉地和普遍地進入抑製的結果。
部分的睡眠或當時有能對比較有限的一些刺激物起反應的值班點或警戒點時，皮質底局部抑製就是催眠狀態。母親在病兒床上的睡眠就是這樣，這時她對一般的，雖然是強烈的刺激物並不起反應，而僅僅是對那些與病兒有關的刺激物起反應。
在大腦皮質條件反射活動中的三個過渡時相（均等相、反常相、超反常相）也叫做催眠時相。因為它們都是發生於催眠狀態影響下，即部分睡眠的影響下。
依據上述大腦兩半球皮質工作的規律，就可以解釋我們日常生活中眾所周知的一些事實。如：人在工作一天之後，即大腦兩半球皮質中樞在不斷的、長時間的興奮之後對睡眠的傾向是極其強烈的。這時在日間清醒時在大腦皮質中占統治地位的興奮過程，由於誘導的關係，被長時間的普遍的抑製所代替。當沒有強烈的外界刺激物時正常的睡眠在夜間特別容易進行。催眠性睡眠則在弱的、單調的刺激物的作用下產生。
巴甫洛夫在高級神經活動學說的基礎上創立的睡眠理論是唯物主義的理論，它駁斥了對睡眠和夢所作的那種宗教神秘的、唯心主義的解釋。
他通過對多數的動物進行過實驗之後證實了：主要神經過程（興奮和抑製）的發展，它們的相互聯係和均衡，它們在皮質中的活動依賴於實驗動物的特性。某些動物的興奮過程占優勢，而抑製過程則難於形成；另一些動物的興奮過程和抑製過程都很強烈，而且均衡；其他一些動物兩者都是很弱的。
大腦兩半球皮質神經過程的靈活性，在抑製過程代替興奮過程的可能性的意義上說，也是有區別的。在某些情況下興奮過程可以很快地為抑製過程所代替；反之，在另一種情況下這類的代替隻是緩慢地進行。
巴甫洛夫院士根據多次的觀察，提議依據大腦兩半球皮質中神經過程——興奮和抑製——基本狀態的力量、靈活性和均衡性來確定神經係統的四種基本類型。
兩個中間類型的特征是：兩種神經過程之間多多少少是均衡的，它們有相當大的力量。這兩種類型彼此間的區別則在神經過程的靈活性方麵。其中之一，兩種過程的交替是迅速發生的，即靈活性大（多血質型）；而另一種類型的兩種過程的交替是緩慢發生的，即靈活性小（黏液質型）。
兩個極端的類型的特征是：在兩種基本過程之間沒有足夠的均衡，其中之一的興奮過程占主要的地位（膽汁質型），而另一種的特征是興奮和抑製的神經過程都很微弱（抑鬱質型）。在這些典型的神經係統類型（多血質型、黏液質型、膽汁質型和抑鬱質型）之間還有一種過渡型（混合型）。
巴甫洛夫在最後生活的十多年裏，以“巴甫洛夫星期三 ”為名的座談會中曾不止一次地提醒其學生和同事們注意古代希柏克拉特為辨別人的氣質所定的、極值得注意的這四種類型的氣質。人們在仔細地研究狗的條件反射活動時也同樣地發現了這四種氣質。
巴甫洛夫在承認遺傳對神經係統各類型之基本特性的發展的作用時，不止一次地指出了神經係統的可塑性（伸縮性），尤其是中樞神經係統的高級部分，其中尤以動物的大腦兩半球皮質為甚。因此，外界的影響，教育的影響，在決定動物的行為方麵起著決定性的作用。
神經係統的基本特性在周圍條件的影響下，即在外界的影響下就會向某一方向轉變和發展。例如：在自由生活的條件下的狗就會完全地發展；反之，局限於籠子內，使之處於隔離狀態的狗的這些神經係統基本特性的發展就會受到阻礙。大腦皮質的興奮過程和抑製過程是可以加以訓練的，而且在一定程度上是可以有目的地加以改變的。
大腦兩半球皮質的複雜而有規律的活動不僅會因實驗者對神經組織的直接作用而被破壞，也可能因機能上的原因而被破壞。例如，當抑製過程和興奮過程彼此間直接相觸時，皮質的正常活動也可能會被破壞。
而在解決所謂疑難問題，例如：在把一組聯合刺激由陽性的改為陰性的，以及由陰性的改變為陽性的時候所發生的就正是兩種對立的神經過程的相逢。這時不以無條件刺激物（如食物）強化陽性的條件刺激物，相反，陰性刺激開始不斷地強化起來。
由此可見，在一個點上興奮過程被抑製過程所代替，而在另一個點上抑製過程又被興奮過程所代替，有如發生著兩種對立的神經過程狀態的衝突。在各種實驗動物身上所發生的對立過程的突然衝突，在某一定時間內就會破壞條件反射過程之正常進行，而這種破壞就是大腦神經細胞或細胞組（中樞）的病態的標誌。
這種改變在強而平衡型的狗（多血質型、黏液質型的狗）身上就會引起高級神經活動短時間的破壞，在弱而不平衡型的狗身上就會引起高級神經活動長時間的破壞。正常的條件反射活動在過於強烈的或不尋常的刺激物（在實驗室內實驗，如引起轟然大響的聲音）作用時也會發生高級神經活動的破壞。
當對立的神經過程狀態衝突的時候，以及在過於強烈的刺激作用之後，大腦皮質對某些外界刺激物的反應就會是不恰當的，甚至常常是反常的。巴甫洛夫把這種人工引起的，但其神經組織之完整性未被破壞的皮質病態稱之為實驗性神經病。這類的神經病在時間上的繼續是各不相同的，可由幾天一直延續到幾個月。易於興奮的與強壯的狗在患這種神經病的時候，使用溴來醫治可得到良好的效果；而對羸弱的狗則需要長時間的工間休息、完全的休息或服用少量的溴。
當機械地破壞大腦兩半球皮質的時候就會引起高級神經活動更嚴重的破壞。一切手術上的幹擾，如剔除部分的皮質，在初期它就影響到整個的皮質工作。條件反射就會急劇地抑製起來或完全消失掉。然後則依被破壞的程度如何，條件反射才又開始逐漸地恢複。
關於闡明大腦兩半球皮質中的機能定位問題，通常都是用剔除大腦皮質個別部分的方法。這種方法的困難因破壞皮質正常活動的傷疤的出現而增加。雖然如此，但終於能確定剔除大腦兩半球的後腦部就會破壞與視覺分析器有關的條件反射活動。經多次的實驗證實了：皮質的某些部分與其他部分密切地關聯著。例如：已經形成的而在動手術之後消失掉的唾液條件反射還可能在某種程度上重新恢複起來。巴甫洛夫以下列的原因解釋了這一事實：即在大腦或分析器各相應部分的核心或中樞部分外還有遠遠地分布於大腦兩半球皮質的一些分散的要素。
巴甫洛夫曾努力把許多神經病和精神病與某一種神經係統類型的特征聯係起來。這類病也常常是由興奮和抑製的相觸所引起的或由極其強烈的重大的刺激所引起的。因此，使器官休息，並防止與保護其免受外界強烈的刺激不僅會給健康人，而且也會給病人帶來良好的效果。
巴甫洛夫曾嚴肅提醒過，當打算把對動物進行試驗所得的資料運用到人時須極度地謹慎，因為人的大腦皮質機能若與動物的皮質相比，是無可比擬的複雜與精細。雖說如此，他認為高級神經活動，即：高等動物與人類大腦兩半球皮質的神經過程的基本規律還是有其共同性的。
巴甫洛夫在警告人們不要把這一問題簡單化時著重指出，在與勞動和語言的發展過程處於相互聯係中的人的形成過程中發展起來的人類大腦兩半球之高度組織起來的皮質的特點。認識動物高級神經活動基本規律，利用自我觀察法對比大腦皮質的各種神經過程的客觀資料與被觀察者的主觀體驗，比較實驗性神經病與人的精神病過程，這就是巴甫洛夫研究人類高級神經活動的基本途徑。他終於為理解作為人反映外界客觀現實的、新的、特殊形式的人類語言與思維奠定了生理基礎。而這個基礎就是他的第二信號係統的學說。
如果各種一般的外界刺激物作用於動物和人的感覺器官，最後完全決定著動物的行為時，則人的行為僅能部分地由動物和人所共有的這些刺激物的作用所決定。
人在外在環境中的行為在相當大的程度上是由另種刺激物，即人所特有的、本質上的、團體的、社會的刺激物來決定的。這種特有的刺激物就是人類語言中的詞彙。每個詞都是周圍外界的某一對象或關係的信號。
當我們想像著某一具體的對象時，例如：具有其一切屬性（大小、花瓣的輪廓、顏色、香味等）的薔薇，那麼我們就能夠限定出這些作用於人而引起相應的客觀體驗（感覺）的天然刺激物的整體。這就是具體的、形象思維的例子。
但引起我們相應的客觀體驗的也可能不是具體的對象（薔薇），而僅僅是“薔薇”這個詞。這時“薔薇”一詞在口頭上或在文字上都將是這些天然刺激物的信號。
如果具體的思維依據於現實的第一信號係統（直接為感覺器官所感受的刺激），則在第二種情況下，“薔薇”這個詞就成為第一信號的記號。因此，從自然科學的觀點來看，詞、言詞可以被當做是在人的主觀知覺（心理、意識）中反映外界客觀現實的特殊的信號係統。
巴甫洛夫在其晚年，當估計到人對外界客觀現實的主觀反映的本質特點時，創立了他的關於第二信號係統的學說。巴甫洛夫自己論述如下：
高等動物，包括人在內，其有機體和周圍環
境在複雜的相互關係上的第一機構，就是最接近於大腦兩半球的皮質下及其最複雜的無條件反射，本能、傾向、情緒、感情……第二機能是大腦兩半球……在那裏借助於條件聯係、聯想而產生了新的活動原則：無數其他的動因把為數不多的外界的無條件動因信號化了，同時這些其他的動因又經常地被分析和縮合，能在該環境中完成高度的定向活動，從而具有更大的適應性……另一信號化的係統，由言詞，言詞的基礎或基本成分——言語器官的動覺刺激把第一係統信號化了。這就是新的神經活動原則——把第一係統的無數信號抽象化、概括化了。
偉大的科學家用簡短的幾句話不僅把研究動物的條件反射活動規律的意義加以概括，更為進一步從生理學角度分析人類心理之複雜規律開辟了道路。
第二信號係統——言語和思維——是在人類社會生活過程的進化發展中，在勞動過程中產生的。
第二信號係統，亦即人類言語和思維之生理機構的學說的實質就在於：人不同於動物，他不僅能夠以第一信號係統的形式，即在各種外界刺激物的直接作用下，主觀地反映客觀現實，同時也讓作為第一信號（簡單刺激物）標記的某種語言的詞的形式反映客觀現實。從這一觀點來看，詞就成為恰當地（相應地、完整地）反映第一信號係統信號化的一種新性質的獨立信號。
由此可見，如果動物的興奮過程和抑製過程的作用是局限於那種實現暫時條件聯係的皮質和實現無條件聯係的皮質下之間的相互作用，那麼人的這種相互作用就是在皮質的特殊區和相應的機動中樞——言語機能集中於此處——具備時產生的。
如果皮下及其皮質的代表點，是比較簡單地和一般地反映外界客觀現實的一種反映形式，是個體和環境間的相互作用的一種形式的形態基礎的話，那麼皮質就能夠更完滿地實現這一機能。正常人借其皮質和皮下及其特有的反映形式——言語和思維，以極高的精確程度和完整程度來實現這一機能。
無數次地觀察動物實驗性神經病的發展進程和醫療進程，分析正常人的心理和臨床研究神經病及精神病，並細微而深入地分析所觀察到的人的第一和第二信號係統機能失常的現象，以及係統的自我觀察，這一切終於使巴甫洛夫通過動物高級神經活動生理學來解釋人的心理的極細微、極複雜的失常現象。他以此為神經病理學者和精神病學者指出了與人的精神病作真正科學鬥爭的道路。
巴甫洛夫院士在這一偉大事業中的主要的具有曆史性的貢獻就是他真正地以唯物主義態度研究現象。動物行為由初次用生理學的方法加以研究，而拋棄了使科學事業模糊起來的擬人觀的解釋。因此，也就開辟了進一步有效地研究作為心理過程的物質基礎，作為複雜地和獨創性地反映現實世界客觀現實的思維器官的人腦活動的道路。
巴甫洛夫開創了進步的、唯物主義生理學和心理學發展的新時代。他憑著唯物主義的世界觀和先進的自然科學的成就建立了大腦活動的客觀規律，並且給所謂的精神活動以唯物的解釋。多少世紀以來，這個領域一直被認為是不可認識的並處於宗教迷信與成見的黑暗之中，現在巴甫洛夫的光輝照亮了這個領域。
巴甫洛夫關於高級神經活動的學說是在20世紀之初生理學中兩個陣營——唯物主義陣營和唯心主義陣營的殘酷鬥爭的環境中發展起來的。它是辯證唯物主義自然科學的基礎，是我們與各種唯心論作思想鬥爭的銳利武器。
有機體的行為對於外界條件和外界刺激物的依存性——這是巴甫洛夫學說的主要思想。早在19世紀後半期，巴甫洛夫就從俄國的古典哲學及進步的自然科學的蓬勃源泉中獲得了這種思想。
偉大的俄國唯物主義者——赫爾岑、別林斯基、車爾尼雪夫斯基、杜勃羅留波夫、皮薩列夫等人的著作就是巴甫洛夫的“大學”。巴甫洛夫在他寫於1904年的小傳中回憶起他的思想興趣是如何在19世紀60年代的文獻影響下成熟起來的，以後又敘述了他青年時代如何在鎖著的公共圖書館門前站上個把鍾頭，為的是能首先抓到那份有皮薩列夫論文的《俄羅斯言論》報。
巴甫洛夫對達爾文關於動物及人類起源的進化論給以很高的評價。巴甫洛夫認為達爾文“以他的天才的進化論豐富了人類的全部思想工作，特別是充實了自然科學的生物學部分”。“俄羅斯生理學之父”的謝切諾夫對於巴甫洛夫的科學思想和他的觀點的形成有直接的影響。謝切諾夫是第一個對關於精神的唯心論概念加以攻擊的自然科學家。
巴甫洛夫公正地評價了謝切諾夫的名著《大腦反射》，認為它是俄國思想的最大限度發揮。謝切諾夫說：精神生活全然是人間的現象，而思維、意識都是由腦所產生的。“把理智與感官分開，這就意味著把現象與本源分開，把結果與原因分開。世界是在人類之外而實際存在著，並且獨自地生活著，但是人類離開感官是不能認識它的，因為感官的產物是一切心理生活的源泉。”
巴甫洛夫向前發展了這種自然科學中的唯物主義路線並使它更為深入。巴甫洛夫認為在動物和人類與外界的關係中起決定性作用的是中樞神經係統，首先是大腦。
巴甫洛夫在祖國與世界科學中最偉大的功績就在於他在研究腦的活動時，揭露了有機體與周圍環境聯係的本質上的新形式——條件反射，並在這個基礎上建立了一係列的動物和人類高級神經活動的生理學的規律。巴甫洛夫這種發現的本身就標誌著在腦的反映活動的研究中一個新時代的開始，它擴大了辯證唯物主義自然科學的基礎。
巴甫洛夫認為大腦是最重要的生命器官，它借著對外界諸刺激的精細分析與綜合來調整有機體的一切最複雜的活動。它使動物和人類在其周圍世界中正確地行動。大腦兩半球是大腦的高級部位，是有機體與周圍環境相互關係中的高級器官，它是有機體執行機能上的經常的監督者。巴甫洛夫指出它的主要作用就是反映的作用。
有機體借著腦的反映活動來調節周圍環境的無數影響——機械的、化學的、溫度的影響，以及氣味、顏色、聲音、光亮等諸如此類的影響。隻要有什麼東西一接觸身體，冷風稍稍一吹，傳來一點什麼氣味，小草發出一點聲響或是影子一閃，有機體馬上就顯現出這種或那種的應答性活動。動物一會兒呆立不動，一會兒改變自己身體的位置，一會兒動動鼻子、耳朵、眼睛，一會兒很快地跳躍起來或是準備進攻、伺機襲擊。