Работа в этом периоде в самом центре русской клинической мысли придала своеобразный стиль и глубокое содержание физиологическому мышлению Павлова. Именно здесь окончательно окрепли и сформировались представления Павлова о нервизме и его постоянное стремление применять достижения, полученные в теоретическое лаборатории, к клинической практике. Здесь же он впервые глубоко задумывается над проблемами клинической патологии и сталкивается с несовершенством физиологического мышления клиницистов в понимании целостного организма человека в норме и патологии. Лаборатория С. П. Боткина явилась для Павлова своего рода школой применения физиологии к клинике, на что указывают многочисленные клинические диссертации, сделанные в физиологической лаборатории непосредственно под его руководством. Руководя экспериментами врачей-докторантов, Павлов упорно и систематически проводит одну за другой серии собственных экспериментов в развитие тех идей, которые стали ему близкими в нервом периоде его работы и особенно основной из них — регуляторной роли нервной системы в выполнении сложных функций организма.
В 1882 г. Павлов обратил внимание на одно в высшей степени интересное явление деятельности сердца, которое заставило его как острого наблюдателя насторожиться и сделать предварительное сообщение в литературе. Именно это наблюдение трофического влияния центробежных нервов на мышцу сердца надо считать исходным для ряда творческих положений советской физиологии о трофическом влиянии нервной системы па органы.
В первом сообщении Павлов писал: «Я вывожу из этих опытов но крайней мере, сколько могу судить сейчас, что кроме замедляющих волокон, находятся другие, сердечные, резко влияющие на работу сердца, помимо изменения ритма». В этом начальном периоде исследования Павлова еще не до конца представлял себе, что скрывается за этим, но уже во втором предварительном сообщении он заключает: «При обсуждении изложенного материала имеются в виду две возможности: или действие наших волокон на работу сердца косвенное, через сосуды сердца, или же специальное— прямо на сердечную ткань». Эти два предварительных сообщения явились прологом к его основной классической работе — докторской диссертации «О центробежных нервах сердца». Все работы этого направления завершаются совершенно четкими выводами: деятельностью сердца управляют четыре центробежных нерва—замедляющий, ускоряющий, ослабляющий и усиливающий.
В 1884 г. конференция академии постановила отправить Павлова на казенный счет на два года за границу. Павлов избрал отчасти известные ему уже ранее лаборатории двух крупнейших физиологов Европы — Гейденгайна и Людвига. Если в первую поездку в 1877 г. Павлов уже смог в лаборатории Гейденгайна доказать справедливость гноен точки зрения на действие атропина на секрецию поджелудочной железы, то теперь он ехал в Лейпциг и к Гейденгайну с еще более важными целями. Он вез с собой открытие усиливающих и ослабляющих нервов сердца и вместе с тем уже совершенно откристаллизовавшуюся теорию о регулятивном характере антагонистических процессов в системе кровообращения.
В новой и своеобразной форме, приемлемой в лаборатории Людвига, Павлов мог еще раз демонстративно доказать существование специальных усиливающих нервов. Таким образом, лаборатория Людвига признала достоверность описанных им фактов, и Павлов вновь торжествовал победу.
В последние годы своей работы в боткинской лаборатории, накануне своего избрания профессором, Павлов вновь возвращается к прежним экспериментам с секреторными нервами поджелудочной железы и с этого момента неотступно занимается нервной регуляцией пищеварительных процессов, пока на рубеже 20 в. эта огромная область, заново разработанная им, не приводит его к самой вершине человеческого знания — к изучению физиологии высшей нервной деятельности.
Еще в лаборатории С.П. Боткина Павлов начал серию многочисленных исследовании, главная цель которых — охарактеризовать нервную регуляцию секреторных процессов у самых разнообразных пищеварительных Желез. В первую очередь, внимание Павлова направлено на вскрытие роли нервной системы в секреции желудочного сока. Совместно с Шумовой-Симановской были проведены эксперименты с выявлением иннервации желудочных желез, известные в литературе как опыты с мнимым кормлением. Уже самый факт достаточно быстрого отделения сока после начала кормления заставляет думать, что это отделение происходит под влиянием нервной системы. Однако нужно было имен, прямое доказательство этого предположения, и Павлов в эксперименте дал его. Он перерезает оба блуждающих нерва, и теперь уже никакое мнимое кормление не приводит к отделению желудочного сока. «Отделение желудочных желез, — делает вывод Павлова,— также возбуждается из центральной нервной системы при посредстве особых отделительных нервов, как отделение слюны и поджелудочной железы».
Экспериментами с мнимым кормлением Павлов окончательно переключается на физиологию пищеварении.