В зимний семестр 1856 года Сеченов прослушал у Дюбуа-Реймона курс лекций по электрофизиологии. Электрофизиология была новой областью исследования. Эта наука для изучения физиологических процессов использовала изменения электрических потенциалов, которые возникают в органах и тканях организма. Аудитория этого интереснейшего ученого была невелика, всего лишь семь человек, и среди них Сеченов и Боткин. За год пребывания в Берлине Иван Михайлович слушал лекции Магнуса по физике, Розе — по аналитической химии, Иоганнеса Мюллера — по сравнительной анатомии, Дюбуа-Реймона — по физиологии.
Весной 1858 года Сеченов перебрался в Вену к виднейшему физиологу того времени — профессору Карлу Людвигу. Это был несравненный вивисектор, прославившийся работами по кровообращению. Людвиг, по словам Сеченова, был интернациональным учителем физиологии чуть ли не для всех молодых ученых всех частей света. Этому способствовали богатство знаний и педагогическое мастерство. В лаборатории этого ученого Сеченову предстояло исследовать влияние алкоголя на кровообращение и поглощение кровью кислорода. Весь летний сезон 1858 года ушел на эти исследования. Все лето Иван Михайлович только и занимался тем, что выкачивал газы из крови способом, которым в то время обычно пользовались. Но способ этот был неудовлетворителен, нужно было искать другие пути для решения этой трудной задачи. После долгих размышлений и поисков Сеченов наконец нашел выход. Он переконструировал прибор Л. Мейера — абсорбциометр, превратив его в насос с непрерывно возобновляемой пустотой и возможностью согревания крови. По поводу своего изобретения Иван Михайлович писал:
— Этим способом учение о газах крови поставлено на твердую дорогу, и эти же опыты, равно как длинная возня с абсорбциометром Л. Мейера, были причиною, что я очень значительную часть жизни посвятил вопросам о газах крови и о поглощении газов жидкостями.
Ивану Сеченову было двадцать девять лет, когда он создал этот способ исследования газов крови. Вся предшествующая жизнь, с ее ошибками и сомнениями в верности избранного пути, остались позади. Теперь его призвание ясно — он будет работать над раскрытием сложнейших тайн жизнедеятельности человеческого организма, то есть физиологией. Сеченов выглядел старше своих лет, наверное, из-за своего скуластого лица. Каждое его слово, прежде чем выйти наружу, подвергалось строгому контролю рассудка и воли.
Следующим пунктом учебы Сеченова был Гейдельбергский университет, в котором преподавали известные в Европе профессора Бунзен и Гельмгольц. У ученого-химика Роберта Бунзена (1811–1899) Сеченов будет заниматься анализом смесей атмосферного воздуха с углекислым газом и прослушает курс по неорганической химии. Сеченов слышал, что Бунзен разработал методы газового и спектрального анализа; пользуясь спектральным анализом, открыл элементы цезий и рубидий; впервые получил металлические литий, кальций, барий и стронций. Впоследствии Иван Михайлович писал о том, каким запомнился ему Бунзен:
— Бунзен читал превосходно и имел на лекциях привычку нюхать описываемые пахучие вещества, как бы вредны и скверно ни были запахи. Рассказывали, что раз он нанюхался чего-то до обморока. За свою слабость к взрывчатым веществам он давно уже поплатился глазом, но на своих лекциях при всяком удобном случае производил взрывы. Так и теперь, вооружившись длинной палкой с воткнутым в конце ее под прямым углом пером и надев очки, взрывал в открытых свинцовых тиглях йод-азот и хлор-азот, а затем торжественно показывал на пробитом взрывом дне капли последнего соединения. Страдая забывчивостью, он часто являлся на лекцию с вывернутым ухом — сохранившимся до старости наследием школьного возраста. Когда в течение лекции взмахом руки профессора ушная раковина приходила в норму, это означало, что памятка сделала свое дело — опасный пункт не был забыт. Когда же, как это случалось нередко, ухо оставалось вывернутым по окончании лекции, молодая публика расходилась с веселыми разговорами о том, был ли забыт опасный пункт или забыто ухо. Бунзен был всеобщим любимцем, и его называли не иначе, как папа Бунзен, хотя он не был еще стариком.
В лаборатории Гельмгольца Иван Михайлович провел четыре научных исследования по физиологии: влияние на сердце раздражения блуждающего нерва, изучение быстроты сокращения различных мышц у лягушки, исследование по физиологической оптике, изучение газов, содержащихся в молоке. В Берлине, Вене, Лейпциге и Гейдельберге Сеченов выполнил большую программу, которую он составил себе для глубокого и всестороннего овладения современной экспериментальной физиологией, а также закончил работу над своей докторской диссертацией. Она была написана и отослана в Петербург, в Медико-хирургическую академию, где предстояла ее защита. Скромно названная автором «Материалы для будущей физиологии алкогольного отравления», она отличалась богатством экспериментальных данных, широтой охвата проблемы и глубоким научным проникновением в сущность поставленной темы. Эта докторская диссертация в феврале 1860 года публикуется в «Военно-медицинском журнале».
Вечером 1 февраля 1860 года Сеченов в почтовом дилижансе прибыл из Риги на родину, в Петербург. 5 марта он защищает диссертацию и получает звание доктора медицины. Вместе с тем конференция Медико-хирургической академии допускает его к экзаменам на звание адъюнкт-профессора, которые состоялись 12 марта. После сдачи экзаменов Сеченову предложили читать лекции по физиологии. 19 марта Иван Михайлович прочел первую лекцию. Следует заметить, что он приступил к работе, когда физиология в России не была еще экспериментальной наукой. Иван Михайлович быстро вышел в авангард науки и стал одним из основателей экспериментальной физиологии, наиболее сложного ее раздела — центральной нервной системы. 16 апреля Сеченова зачисляют адъюнкт-профессором на кафедру физиологии. 11 марта 1861 года Сеченов единогласно избран конференцией Медико-хирургической академии экстраординарным профессором, то есть сверхштатным, не занимающим кафедру.
В сентябре 1861 года в «Медицинском вестнике» напечатаны публичные лекции Сеченова «О растительных актах в животной жизни». В них впервые сформулировано понятие о связи организма с окружающей средой. В июне следующего года Иван Михайлович выезжает в годичный отпуск за границу. И во второй раз работает в Париже в лаборатории Клода Бернара. Здесь открывает нервные механизмы «центрального торможения» С открытием «сеченовского торможения», говоря словами продолжателя трудов Сеченова, Ивана Петровича Павлова, «считается совершенно ходовой, установленной истиной, что вся наша нервная деятельность состоит из двух процессов, из раздражительного и тормозного, и вся наша жизнь есть постоянная встреча, соотношение этих двух процессов». Работа Сеченова была одобрена Клодом Бернаром. В конце 1862 года она появилась в печати под названием «Физиологическое изучение об угнетающих механизмах головного мозга на рефлекторную деятельность спинного мозга». Этот труд Иван Михайлович посвятил Клоду Людвигу: «Своему высокоуважаемому учителю и другу».
В мае 1863 года Сеченов возвращается из-за границы в Петербург и приступает к работе. Кроме лекционных занятий, Иван Михайлович приготовил к печати очерки о так называемом животном электричестве. Под воздействием гальванического тока в нервах и мышцах происходят различные изменения, которые проливают свет на сущность нервно-мышечных явлений. Опыты Сеченова по применению электричества для выяснения ряда физиологических вопросов обратили на себя внимание. За эту работу 12 июня Академия наук наградила его премией Демидова.
Иван Михайлович все лето отдал работе по созданию, как он писал, «вещи, которая играла некоторую роль» в его жизни. «Гениальный взмах сеченовской мысли», — так назвал Павлов вершину научного творчества Сеченова, его труд «Рефлексы головного мозга». В этой работе Сеченов разрушил извечную иллюзию человечества о богоданной душе. Он говорит, что ученые по-разному смотрят на роль головного мозга. Одни из них, принимая мозг за орган человеческой души, «отделяют последнюю от первого», другие говорят, «что душа по своей сущности есть продукт деятельности мозга. Для физиологов достаточно и того, что мозг есть орган души, то есть такой механизм, который, будучи приведен какими ни есть причинами в движение, дает в окончательном результате тот ряд внешних явлений, которыми характеризуется психическая деятельность. Всякий знает, как громаден мир этих явлений. В нем заложено все то бесконечное разнообразие движений и звуков, на которые способен человек вообще. И всю эту массу фактов нужно обнять… Все бесконечное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сводится окончательно к одному лишь явлению — мышечному движению…»
