對于早期的哲學(xué)家來說，大腦是理性靈魂之所在，只有人類才有理性靈魂，動植物則沒有。在中世紀(jì)，學(xué)者認(rèn)為，想象、推理、常識和記憶各占大腦四個腔室中的一個。

俄國生理學(xué)家巴甫洛夫關(guān)于條件反射的研究對生理心理學(xué)、教育和訓(xùn)練方法有廣泛影響。文藝復(fù)興帶來了新的研究方法，解剖學(xué)揭示了動物（和人類）生理學(xué)中的許多奧秘?？茖W(xué)家還甚至研究大腦表面的溝回結(jié)構(gòu)。但是直到17世紀(jì)，法國哲學(xué)家笛卡兒仍然不舍許多中世紀(jì)的思想，盡管他試圖把牛頓的機械原理運用到生理學(xué)上。笛卡兒把大腦底部的松果腺當(dāng)成是人類理性靈魂的所在地，他說，這里既可接受感覺信息，又可通過控制中空的神經(jīng)里流動的動物精氣對信息作出反應(yīng)。理性靈魂就用這樣的方式指導(dǎo)肌肉的運動。這就是最早對反射作用的一種初步解釋。

人腦表面的溝回使許多解剖學(xué)家，其中包括17世紀(jì)英國的解剖學(xué)家韋利斯（ThomasWillis，1621—1675），認(rèn)為不同的功能處于溝回中的不同區(qū)域。顱相學(xué)即由此而來，它在18世紀(jì)末被認(rèn)為是“心靈科學(xué)”而頗為興旺。顱相學(xué)者宣稱，他們可以繪出一張大腦表面圖，在圖上標(biāo)出特殊的區(qū)域，它們分別控制這些特性，諸如獲得欲和破壞欲（在耳朵的上方），道德特性，諸如仁慈和靈性（在頭頂附近），以及友誼（在大腦后部附近）之類的社會和家庭傾向。顱骨表面的隆起被認(rèn)為與大腦不同區(qū)域的相對發(fā)達有關(guān)，顱相學(xué)者肯定，他們能夠“讀懂”這些隆起部分，并且由此分析個性和性格。到了19世紀(jì)40年代，人們大多拒絕承認(rèn)顱相學(xué)是科學(xué)，盡管直到20世紀(jì)20年代，作為一門偽科學(xué)它還頗有市場。

然而，德國生理學(xué)家希齊格（Julius Hitzig，1838～1907）和弗里切（Gustav Fritsch，1838—1927）首次證明大腦不同區(qū)域確實控制不同的功能。希齊格在活狗身上做實驗，證明大腦特定區(qū)域受到刺激會引起某些肌肉的收縮。他還證明，大腦特定部分的損傷會引起某些肌肉收縮功能減弱甚至癱瘓。

蘇格蘭神經(jīng)學(xué)家費利爾（David Ferrier，1843—1928）以同樣的方法對靈長類動物和狗做實驗，成功地證明大腦的某些區(qū)域（運動區(qū)）控制肌肉和其他器官的運動，而其他區(qū)域（感覺區(qū)）則從肌肉和其他器官接受感覺。和伯納德一樣，費利爾也是頂著當(dāng)時動物權(quán)利保護分子的壓力而從事工作的，這些人控告他對動物殘忍施暴。但是，他在法庭上（1882年）成功地證明，這些實驗具有正當(dāng)理由，它可以告訴我們關(guān)于大腦功能的關(guān)鍵性知識。

俄國生理學(xué)家巴甫洛夫，因其關(guān)于無意識反射和動物行為的實驗而著名。

巴甫洛夫的早期工作是有關(guān)消化生理學(xué)和自主神經(jīng)系統(tǒng)的研究，為此，他贏得了1904年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。在一個著名的實驗中，他通過外科手術(shù)在狗的胃旁接上一根導(dǎo)管，于是，狗吃進的食物從食道咽下，卻不會進入胃里。但不可思議的是，胃還如往常一樣分泌胃液。于是，巴甫洛夫得出結(jié)論：口腔里的神經(jīng)一定傳遞了一個信息給大腦，從而引發(fā)消化反應(yīng)。為了進一步證明這一點，他切斷特定神經(jīng)，再來觀察狗吃進食物進入胃里的過程，這回沒有放置導(dǎo)管，然而卻不見有胃液流出來消化食物?？梢姶竽X沒有接到信息。

然而，巴甫洛夫最有名的工作是他后期對條件反射的研究（在德國和美國，這項研究對于通過生理學(xué)的方法來定位心理學(xué)起到了重大影響）。巴甫洛夫發(fā)現(xiàn)，由于狗見到食物會分泌唾液，他可以用另一種刺激，例如鈴聲來代替食物，只要原始刺激（食物）與次生刺激（鈴聲）在訓(xùn)練期間聯(lián)系在一起，狗在聽到鈴聲時就會分泌唾液。巴甫洛夫假設(shè)，這是因為在大腦皮層中建立了新的神經(jīng)回路，才使得這些不相關(guān)的“條件”反射能夠發(fā)生。