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Pavlov svolse ricerche sulla digestione, sulla quale diede contributi così importanti da meritarsi il premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia del 1904.

In particolare, Pavlov stava studiando le secrezioni della ghiandola salivare dei cani quando notò che esse iniziavano prima del contatto con il cibo. Abbandonò quindi l'interesse per la chimica della saliva per un nuovo approccio, cui dedicò una lunga serie di esperimenti sugli stimoli precedenti la comparsa del cibo.

È noto il suo classico esperimento: associando per un certo numero di volte la presentazione della carne ad un suono di campanello, alla fine il solo suono del campanello determina la salivazione (la cosiddetta "acquolina in bocca") nel cane, che prima certamente non produceva; quindi il cane si comporta così a causa di un riflesso condizionato provocato in lui artificialmente.

Meno noto l'esperimento sull'induzione di stati di indecisione nei cani, con cui scoprì che, imponendo loro di decidere in uno stato confusionale pena una scossa elettrica, si poteva produrre in loro la schizofrenia in ogni forma, secondo il temperamento dell'animale.

La scoperta del riflesso condizionato (1901) consentì di applicare i metodi obiettivi della fisiologia allo studio dei processi nervosi superiori. I riflessi condizionati naturali ed artificiali, le loro modalità di formazione e di azione, hanno assunto grande importanza in fisiologia, psicologia e psichiatria, anche se con risultati alterni.

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