Совершенствуя свои знания в клинике душевных болезней, Бехтерев одновременно в совершенстве овладел всеми известными тогда методами изучения морфологии и физиологии мозга. Исследовательскую работу он вел самозабвенно и при этом ставил перед собой многообразные научные задачи, проявляя немало изобретательности я исключительную трудоспособность. 20 марта 1883 года общество русских врачей присудило Бехтереву серебряную медаль за работу «О вынужденных и насильственных движениях при разрушении некоторых частей центральной нервной системы».
К маю 1884 года, когда профессор Мержеевский предложил Конференции Военно-медицинской академии направить молодого ученого для дальнейшего совершенствования знаний в страны Западной Европы, список печатных работ его подопечного состоял из 58 названий. Помимо семи работ по теме диссертации, в этом списке были и статьи об особенностях строения спинного и головного мозга («Об изменениях спинного мозга под влиянием перерезки нервных корешков», «О связи так называемых периферических органов равновесия с мозжечком» и др.), и описания клинических проявлений при некоторых болезнях нервной системы. Большое место занимали физиологические исследования органов чувств, точнее, тех отделов нервной ткани, которые обеспечивают проведение в мозгу идущей от органов чувств специфической нервной импульсации и обеспечивают формирование соответствующих ощущений. Среди последних были работы о структуре зрительной системы, о корковых территориях, участвующих в формировании осязательных и болевых ощущений, а также мышечного чувства, обеспечивающего осознание положения частей тела в пространстве.
Особый интерес представляла серия исследований морфологии и функции периферических и центральных органов равновесия, материалы которых нашли отражение в ряде статей и в обобщающей работе «Теория образования наших представлений о пространстве» (Спб, 1884). В них Бехтерев дал подробное описание строения органов равновесия и обеспечивающих поддержание равновесия тела нервных структур и показал, что эти структуры имеют значение не только в поддержании устойчивости тела и координации движений, но к тому же еще и «служат источником определенных ощущений». Вместе с ощущениями зрительными, слуховыми, осязательными и пр. они создают возможность ориентации в пространстве, расстройство же их функции ведет к расстройству пространственных ощущений. Провокацию этих расстройств можно вызвать вращением тела или же пропусканием через подзатылочную область гальванического тока. Бехтерев проводил такие опыты «над самим собой», что позволило ему дать подробную характеристику испытываемых при этом субъективных ощущений, возникающих в результате перевозбуждения органов равновесия.
Весьма важными были экспериментальные исследования Бехтерева, позволившие уточнить функцию расположенных в глубине головного мозга так называемых зрительных бугров.
Успехи Бехтерева в научной и практической деятельности привели к тому, что он приобрел широкую известность в среде русских неврологов. Мало того, он стал завоевывать признание и в Европе. Подтверждением этому явилось избрание его в 1883 году в действительные члены Итальянского общества психиатров.
Выдвигая Бехтерева в «кандидаты для заграничной командировки с ученой целью», Мержеевский в «Записке», адресованной Конференции Военно-медицинской академии, писал: «Ученые работы доцента Бехтерева относятся по преимуществу к клинике нервных и душевных болезней и к экспериментальной нервной патологии и по многочисленности своей, разнообразию затрагиваемых ими вопросов и оригинальности взглядов обнаруживают в их авторе весьма трудолюбивого молодого ученого, обещающего в будущем сделаться солидным невропатологом и прекрасным преподавателем».
Вместе с кандидатурой Бехтерева на заседании Конференции 21 апреля 1884 года рассматривались рекомендованные С. П. Боткиным для командирования за границу кандидатуры двух его сотрудников: клинициста С. В. Левашова и физиолога И. П. Павлова. Первый из них имел к тому времени 18 печатных работ, второй — 12. Из трех кандидатов на поездку в научную командировку должны были быть отобраны два. Конференция в этот день поручила рассмотреть выдвинутые Мержеевским и Боткиным кандидатуры комиссии, в которую, помимо этих наиболее заинтересованных профессоров, вошли профессора Тарханов и Манассеин. Тщательно изучив документацию, списки и реферативный обзор научных работ молодых ученых, на следующем заседании Конференции, состоявшемся 5 мая, комиссия огласила свое решение: все три кандидата «вполне достойны» направления в научную командировку, в связи с чем она обращается к Конференции с просьбой «подвергнуть их баллотировке». При тайном голосовании большинство голосов получили Бехтерев и Левашов. На период поездки за рубеж им было установлено повышенное жалованье «по шестому разряду», и, кроме того, из средств академии выплачивалось по 1200 рублей в год каждому. Такое материальное обеспечение направляемых за границу врачей позволяло им там не думать о хлебе насущном, а полностью посвятить себя изучению интересующих их научных проблем.
«Забаллотированным», таким образом, из трех кандидатов на научную командировку оказался один — самый старший по возрасту — И. П. Павлов, окончивший к тому времени Петербургский университет, прошедший курс в академии и успевший поработать в ней на кафедре физиологии ветеринарного факультета и в физиологической лаборатории при кафедре терапии, возглавляемой Боткиным. Вполне вероятно, что такое решение Конференции было воспринято им не без обиды. При этом одним из косвенных «виновников» сложившейся ситуации оказывался быстро прогрессирующий как врач и ученый Бехтерев, который был моложе Павлова на 9 лет. Можно отметить, что в 1884 году судьба столкнула Бехтерева и Павлова уже второй раз. Впервые это было десять лет назад, когда второкурсник Бехтерев оказался одним из инициаторов студенческого бойкота профессору Циону, под руководством которого Павлов тогда очень хотел бы поработать, так как весьма ценил в этом консерваторе и реакционере редкое умение блестяще ставить эксперимент. По ходатайству Боткина Конференция академии позже все-таки разрешила Павлову выезд за границу на полтора года с начислением ему в этот период жалованья «по шестому разряду», но без дополнительного денежного обеспечения.
Бехтерев уже после решения Конференции академии о его направлении в научную командировку получил предложение занять должность доцента в Казанском университете, однако он предпочел воспользоваться возможностью дальнейшего совершенствования своих знаний и 1 июня 1884 года выехал в Берлин. Командируемые за границу сами составляли план своих занятий, им полагалось через каждые полгода пересылать в адрес Конференции академии отчет о проделанной работе.
В первом отчете Бехтерева сообщалось, что полтора месяца он провел в Берлине, где посещал лекции крупных неврологов Вестфаля и Менделя, знаменитого физиолога Дюбуа-Реймона, работая в лаборатории Кронекера в Физиологическом институте, осматривал лечебницы для душевнобольных. Ему хотелось задержаться в Берлине, но это не удалось сделать, так как в то время канцлер Германской империи князь Бисмарк резко ограничил срок пребывания в ее столице подданных иностранных государств. Им не разрешалось находиться в Берлине более шести недель подряд. В середине августа Бехтерев отправился в Лейпциг. Его привлекала возможность поработать в тамошней университетская клинике для душевнобольных, возглавляемой одним из крупнейших неврологов того времени — П. Флексигом. Особенно интересовали Бехтерева его нейроморфологические исследования. Флексиг разработал новый метод изучения мозга и его проводящих путей. Этот метод, известный как эмбриологический или метод развития, основывался на том, что формирование так называемой миелиновой оболочки нервных волокон, составляющих различные проводящие пути, происходит в процессе развития эмбриона неодновременно. Изучая мозг эмбрионов, погибших в различных стадиях развития, удается не только дифференцировать отдельные проводящие пути на срезах мозговой ткани, но и прослеживать ход этих путей в спинном и головном мозте. Внедрение в практику морфологических исследований эмбриологического метода содействовало пониманию хода восходящих и нисходящих проводящих путей и, таким образом, позволяло установить ранее неизвестные связи между отдельными структурами мозговой ткани.
