假飼
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在實驗台上，在帶瘺管的狗面前擺著一個食盤，飢餓的狗狼吞虎咽地吃了起來，可是咽下去的食物半路上從食管切口處掉了出來，又落在食盤裡。狗雖然不停地吃，胃卻始終大唱「空城計」。有趣的是，食物雖然沒有進入胃裡，但狗的嘴巴一動，一咀嚼食物，胃就開始分泌胃液，因為胃內沒有雜物，透明純淨的胃液就從胃部瘺管中一滴一滴地流入外面接著的試管里。
這個「假飼」實驗告訴我們：食物並沒有到胃裡，而胃已開始分泌胃液，說明胃液的分泌不是食物刺激胃的結果，而是大腦通過神經下達了命令。食物一進入嘴裡，味覺神經就向大腦報告：食物來了，叫胃準備消化。信號從大腦傳到胃，胃液就分泌出來了。
不僅如此，巴甫洛夫在實驗中還觀察到好些耐人尋味的現象：當狗一看見食物，還沒叼進嘴裡，瘺管里就已開始滴出胃液，這說明不僅口腔可以向大腦報告「食物來了」的消息，眼睛看見食物後，也可向大腦發出報告。甚至不讓狗看到食物，只是把香腸、火腿等藏在口袋裡，靈敏的狗鼻子聞到了香味，也會有胃液滴出，這證明大腦已收到了鼻子發出的「準備消化」的信息。
綜合這些現象。巴甫洛夫得出結論：大腦控制、支配著胃的消化活動，它是指揮全身各器官協調工作的司令部。「研究大腦活動規律，認識人體的司令部」成了巴甫洛夫下一個攀登的目標。
巴甫洛夫已打開了觀察胃的「窗口」，有了研究消化的經驗。他注意到：當狗看到食物，或聞到食物的香味時不僅能分泌胃液，嘴角也會流出口水。對了，通過唾液分泌去研究大腦，不是更方便嗎？
這一次，他在狗的面頰上切開一個小口，使唾液腺的導管經過它通向體外。這樣，狗的唾液不是往嘴中流，而是流到掛在面頰上的漏斗中，滴入下面的量筒里。
給站在實驗台上的狗餵食物，唾液馬上流了出來。這屬於天生的反射，不需要任何訓練就會產生，無論動物和人都是這樣。
但是，巴甫洛夫構想了一個奇特的實驗。在給狗餵食之前，打開電燈。因為燈光與食物沒有任何聯繫，狗根本不理會，也不流唾液；而開燈後立即給狗餵食，狗的唾液就流出來了。
從此，凡是喂狗的時候，燈光和食物總是先後同時出現。這樣重複多次後，一個奇怪的現象出現了：只要燈光一亮，即使不餵食物，狗也會流出口水。可見，在狗的大腦里，燈光已經變成了食物的信號，所以狗一看見燈光，就作出消化食物的反應，流出唾液。巴甫洛夫把這稱之為「條件反射」。
條件反射是暫時的。對一條建立了條件反射的狗，如果總是只亮燈光，不給食物，狗的口水就會一次比一次少，最後就不再流口水了。暫時建立起來的神經聯繫也就消退了。
人類的心理活動，巴甫洛夫認為也是一種複雜的條件反射，但同動物的行為有本質上的差別。因為人類在進化過程中學會了勞動，同時產生了語言，巴甫洛夫把語言叫做第二信號，由語言引起的活動，叫做第二信號系統活動。這是人類特有的高級神經活動。巴甫洛夫通過20多年的研究，證明動物只有第一信號系統這一種高級神經活動，就是由現實的具體刺激引起的條件反射；而人類則具有第一和第二信號系統，兩種形式的高級神經活動。
巴甫洛夫創立的學說，有史以來第一次對人類高級神經活動作出了科學論述。他的非凡實驗，為觀察神經活動安下了一個明亮的「窗口」，為研究人類大腦皮層的一系列複雜問題，開闢了新的途徑。
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