Такая система сигналов, формирующаяся в коре больших полушарий головного мозга, — первая сигнальная система — есть и у животных и у человека. Но человек обладает еще одной системой сигнализации, более сложной и более совершенной. Она выработалась у него в процессе тысячелетнего исторического развития, и именно с ней связаны коренные различия между высшей нервной деятельностью человека и любого животного. Павлов назвал ее второй сигнальной системой. Она возникла у людей в связи с общественным трудом и связана с речью.
Для чистоты проведения экспериментов по выработке условных рефлексов в 1913 г., благодаря субсидии московского мецената К. Леденцова, было построено специальное здание с двумя башнями, названными «башнями молчания». В них первоначально были оборудованы три экспериментальные камеры, а в 1917 г. вступили в строй еще пять. С помощью разработанного метода изучения условных рефлексов Павлов установил, что в основе психической деятельности лежат физиологические процессы, происходящие в коре головного мозга. Исследования им физиологии высшей нервной деятельности (1-й и 2-й сигнальных систем, типов нервной системы, локализации функций, системности работы больших полушарий и др.) оказали большое влияние на развитие физиологии, медицины, психологии и педагогики.
Только в 1923 г. Павлов решился выпустить в свет труд, который так и назвал «Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных». Павловское учение о высшей нервной деятельности — это не просто блестящая страница, вписанная в историю науки, — это целая эпоха.
Февральскую революцию Павлов принял с энтузиазмом, считая, «что выборное начало должно лежать в основе как всего государственного строя, так и отдельных учреждений». К Октябрьскому перевороту он отнесся резко отрицательно, фрондируя по отношению к новым властям, даже надевал царские ордена, которые никогда не носил при старом режиме, как, впрочем, и мундир, а в его кабинете висел писанный маслом портрет принца Ольденбургского в военном сюртуке с генерал-адъютантским аксельбантом и императорской короной сверху.
В 1922 г., в связи с отчаянным материальным положением, ставившим под сомнение дальнейшее проведение исследований, Павлов обратился к Ленину с просьбой перенести свою лабораторию за границу. Но тот ответил отказом, мотивировав это тем, что Советская Россия нуждается в таких ученых, как Павлов. Было издано специальное постановление, в котором отмечались «исключительные научные заслуги академика И. П. Павлова, имеющие огромное значение для трудящихся всего мира»; специальной комиссии во главе с М. Горьким поручалось «в кратчайший срок создать наиболее благоприятные условия для обеспечения научной работы академика Павлова и его сотрудников»; соответствующим государственным организациям предлагалось «отпечатать роскошным изданием заготовленный академиком Павловым научный труд» и «предоставить Павлову и его жене специальный паек». От последнего пункта Иван Петрович отказался: «Я не приму все эти привилегии, пока они не будут предоставлены всем работникам лаборатории».
В 1923 г. Павлов посетил США и по возвращении открыто высказался о пагубности коммунизма: «На тот социальный эксперимент, который коммунисты проводят в стране, я не пожертвовал бы даже лягушачьей лапки». Когда в 1924 г. из Военно-медицинской академии в Ленинграде стали увольнять тех, у кого было «непролетарское происхождение», Павлов отказался от своего почетного места в Академии, заявив: «Я тоже сын священника, и если вы выгоняете других, то я тоже уйду!» В 1927 г. он оказался единственным, кто проголосовал против назначения партийных функционеров в Академию. Профессор написал письмо И. В. Сталину, в котором были такие строки: «В свете того, что вы делаете с русской интеллигенцией, деморализуете ее и лишаете ее всяких прав, — мне стыдно называть себя русским».