В статье «Кому и как разрабатывать психологию», напечатанной в том же журнале, Сеченов резко возразил Кавелину. Он пригласил его «…сделать над собой следующий опыт: сказать в течение одного часа хоть, например, 200 различных существительных (конечно, из опыта нужно исключить подобные случаи, как например заученные на память с детства целые ассоциации различных слов, вроде исключений из правил латинской грамматики, ряда чисел, спряжения разных глаголов и пр.). При этом я беру на себя смелость предсказать следующий результат, – писал Сеченов. – Если перед опытом г. Кавелин думал, например, о психологии вообще, то его первыми словами будут приблизительно: психология, душа, тело, идеализм, Кант, Гегель и пр., и очень возможно, что опыт ему удастся; но если бы при тех же условиях потребовать от него невзначай, чтобы он говорил известные ему существительные, относящиеся, например, к поваренному искусству, огородничеству и пр., то дело пошло бы уже значительно труднее, несмотря на то, что и в этих случаях действуют готовые ассоциации, выражающиеся, например, в том, что вслед за капустой уже очень легко сказать морковь, картофель и пр. Но положим, что результат и в этом случае был бы удачен. Тогда пусть г. Кавелин попробует сказать, например, по два слова из психологии, из кухонного искусства, огородничества и пр. Здесь результат будет уже наверно отрицательный, несмотря на то что перед каждым отделом существительных стоит родовое понятие, обнимающее собой в ассоциациях десятки видовых представлений».
«Человек есть определенная единица в ряду явлений, представляемых нашей планетой, – писал Сеченов, – и вся его, даже духовная жизнь, насколько она может быть предметом научных исследований, есть явление земное. Мысленно мы можем отделить свое тело и свою духовную жизнь от всего окружающего, подобно тому, как отделяем мысленно цвет, форму или величину от целого предмета, но соответствует ли этому отделению действительная отдельность? Очевидно, нет, потому что это значило бы оторвать человека от всех условий его земного существования».
Основным вопросом проблемы ощущений Сеченов считал вопрос о «согласовании движений с чувствованием». В 1878 году в работе «Элементы мысли» он впервые исследовал роль движений и двигательных ощущений в процессах восприятия и мышления, показав их значение в анализе и измерении пространства и времени. Именно эта работа дала основание И. П. Павлову заявить на одном из международных физиологических конгрессов: «Я убежден, что приближается важный этап человеческой мысли, когда физиологическое и психологическое, объективное и субъективное действительно сольются, когда фактически разрешится или отпадет простым естественным путем мучительное противоречие или противопоставление моего сознания моему телу».
Сеченову принадлежат важные открытия.
Он, например, первый открыл и описал роль мышц как органов чувств («темное мышечное чувство»), открыл и описал периодические ритмические биоэлектрические явления в центральной нервной системе, дал опытное обоснование учения о газах крови и обмене их при дыхании, а также пришел к выводам о закономерностях растворения газов в растворах различных солей, что явилось крупным вкладом в физическую химию растворов. Очень большое значение имеют работы Сеченова (а также его ученика Н. Е. Введенского) в области физиологии периферического нерва. Изучив причины гибели французских воздухоплавателей, поднимавшихся на воздушном шаре «Зенит», Сеченов впервые дал верные расчеты и указал физиологические пути к борьбе против нарушения функции дыхания тканей у человека при высотных полетах.
В 1870 году Сеченов вынужден был покинуть Медико-хирургическую академию. Одним из поводов для такого решения послужил официальный отказ Совета академии избрать на свободную кафедру зоологии замечательного русского ученого И. И. Мечникова. Химик Н. Н. Зинин пытался помочь Сеченову перейти в Академию наук, но двери Академии для либерально мыслящего ученого оказались закрытыми. Некоторое время он работал в лаборатории своего давнего друга Д. И. Менделеева. «Возможно, что я сделаюсь химиком, но, конечно, это мечты», – с горечью писал он в одном из писем. В конце концов, Сеченов получил место профессора физиологии в Новороссийском университете в Одессе.
Только в 1876 году он вернулся в Петербург.