В середине XIX века начали применять еще два экспериментальных подхода к изучению мозга: клинический метод и электрическую стимуляцию. Клинический метод был предложен в 1861 году Полем Брока (1824–1880), хирургом одной из больниц для душевнобольных под Парижем. Брока произвел вскрытие трупа мужчины, который при жизни долгие годы не мог внятно говорить. При осмотре было выявлено поражение третьей лобной извилины коры головного мозга. Брока обозначил эту часть мозга как центр речи; позже за ней закрепилось название область Брока. Клинический метод стал прекрасным дополнением к методу удаления — ведь едва ли найдутся добровольцы, во имя науки готовые пожертвовать частью мозга. Удаление, проведенное после смерти, обеспечивает возможность исследовать поврежденную область мозга, которой приписывается ответственность за определенное поведение при жизни пациента.
Метод электростимуляции для изучения мозга был впервые применен в 1870 году Густавом Фритшем и Эдуардом Хитцигом. Этот метод предполагает исследование коры головного мозга путем воздействия на ее участки слабыми электрическими разрядами. Проводя эксперименты с кроликами и собаками, Фритш и Хитциг обнаружили, что электростимулирование отдельных областей коры головного мозга у животных приводит к ответным моторным реакциям — таким как подергивание лап. С появлением более совершенного электронного оборудования электростимуляция стала весьма эффективным приемом для изучения функций мозга.
В середине XIX столетия проводилось большое число исследований структуры нервной системы и природы нервной деятельности. К первым теориям нервной деятельности относятся теория нервных «трубок» Декарта и теория вибрации Давида Гартли.
В конце XVIII века итальянский исследователь Луиджи Гальвани (1737–1798) предположил, что нервные импульсы имеют электрическую природу. Его племянник и последователь Джованни Альдини «смешал серьезное исследование с леденящим душу зрелищем. В одном из самых ужасных публичных экспериментов Альдини, призванном подчеркнуть эффективность электрического возбуждения для получения спазматических движений мускулов, использовались отсеченные головы казненных преступников».
Исследования нервных импульсов росли числом и были такими убедительными, что к середине XIX века электрическая природа импульсов стала общепринятым фактом. Ученые полагали, что нервная система по существу является проводником электрических импульсов, а центральная нервная система функционирует подобно коммутатору, переключающему импульсы на сенсорные или двигательные нервные волокна.
Такой взгляд был значительным шагом вперед по сравнению с теорией нервных «трубок» Декарта и теорией вибраций Гартли, но концептуально они похожи. Все эти подходы были рефлекторными. При таком подходе предполагается воздействие внешнего мира (в виде стимула) на орган чувств, вследствие чего происходит возбуждение нервного импульса, который перемещается к соответствующей точке мозга или центральной нервной системы. Там, в ответ на импульс, возникает новый импульс, который передается через двигательные нервы и вызывает определенную реакцию организма.
В XIX веке проводились изыскания и анатомической структуры нервной системы. Ученые установили, что нервные волокна состоят из отдельных структур, нейронов, которые определенным образом соединены между собой в точках, называемых синапсами. Эти выводы последовательно вытекали из механистического, материалистического представления человеческой сущности. В то время считалось, что нервная система, как и мозг, состоит из атомов, соединение которых приводит к появлению нового качества.
Большие заслуги в этой области принадлежат русскому учёному И. М. Сеченову, сделавшему большой вклад в учение о рефлексах. Сеченов в работе «Рефлексы головного мозга» (1863 г.) утверждал, что «все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы».
Он аргументировал соображение об универсальном значении рефлекторного принципа в деятельности спинного и головного мозга как для непроизвольных, автоматических, так и произвольных движений, связанных с участием сознания и психической деятельности мозга.
Все вышеперечисленные достижения ранней физиологии указывают на методы исследования и открытия, которые способствовали формированию научного подхода к психологическому исследованию мышления. Философы расчистили дорогу для применения экспериментальных методов в изучении мышления: физиологи уже начали ставить эксперименты для исследования механизмов, лежащих в основе психических процессов, — следующим шагом должно было стать применение экспериментальных методов непосредственно к мышлению.
Британские эмпирики доказывали, что единственным источником знания является ощущение. Астроном Бессель продемонстрировал важность факторов ощущений и восприятия в науке. Физиологи определяли структуру и функцию чувств. Пришло время подходить к оценке ощущений с количественной мерой. Уже были доступны методы исследования человеческого тела: теперь возникла необходимость разработки методов изучения мышления. Почва для возникновения экспериментальной психологии была подготовлена.
В начале XIX столетия немецкие университеты охватила волна образовательной реформы, направленной на получение академической свободы как для профессоров, так и для студентов. Профессорам разрешили самостоятельно выбирать темы для преподавания и исследований и работать без опеки со стороны. Студенты были вольны посещать любые курсы лекций по своему выбору без ограничений жесткого учебного плана. Эта свобода распространялась и на новые науки, каковой была психология.
Такая университетская атмосфера обеспечила идеальные условия для процветания научных изысканий. Профессора могли не только читать лекции, но и направлять экспериментальные исследования студентов в хорошо оборудованных лабораториях. Ни в какой другой стране не было столь благоприятного отношения к науке.
Реформа в немецких университетах способствовала их развитию, а это означало увеличение рабочих мест для тех, кого интересовала научная карьера. В Германии были достаточно велики шансы стать уважаемым преподавателем с хорошим жалованьем, хотя достичь высшего положения было трудно. От многообещающего университетского ученого требовалось представить научную работу, более значительную, чем стандартная докторская диссертация. Это означало, что человек, избравший университетскую карьеру, поистине должен был иметь выдающиеся способности к науке. Приступив к работе на научной кафедре, молодые ученые постоянно ощущали давление в отношении того, что касалось проведения исследований и научных публикаций.
Хотя соперничество было острым, а требования высокими, награда намного превосходила затраченные усилия. В немецкой науке XIX века преуспевали только лучшие из лучших, а результатом был ряд крупных достижений во всех науках, включая новую психологию. Не случайно профессора немецких университетов, которым научная психология обязана своим появлением, стали «властителями научных умов» в Европе.
Впервые экспериментальные методы изучения мышления, которое является одним из предметов исследования в психологии (когнитивное направление), применили четверо учёных: Герман фон Гельмгольц, Эрнст Вебер, Густав Теодор Фехнер и Вильгельм Вундт. Все они были немцами, все получили образование в области физиологии и все были в курсе последних достижений науки.
Гельмгольц, физик и физиолог, плодовитый исследователь, был одним из величайших ученых XIX столетия. Хотя психология занимала лишь третью строчку в списке его научных интересов, все же именно работы Гельмгольца, а также исследования Фехнера и Вундта, положили начало новой психологии.
Гельмгольц чрезвычайно успешно работал в самых различных областях. В ходе исследований по физиологической оптике он изобрел офтальмоскоп — устройство для исследования сетчатки глаза. Его фундаментальный трехтомный труд по физиологической оптике «Физиологическая оптика» (Handbuch der physiologischen Opti. 1856–1866) был столь значительным, что его переводили на английский язык и 60 лет спустя после выхода. В 1863 году было опубликовано исследование Гельмгольца по проблемам акустики «О восприятии тона», в котором просуммированы результаты его собственных изысканий и представлен обзор доступной в то время литературы. Он писал статьи по таким разнообразным темам, как остаточное изображение, неспособность различать цвета, перемещение хрусталика глаза, размер в арабско-персидской музыке, образование ледников, геометрические аксиомы, лечение сенной лихорадки. Позднее Гельмгольц косвенно способствовал изобретению беспроволочного телеграфа и радио.
Для психологии представляют интерес изыскания Гельмгольца по вопросам определения скорости нервных импульсов, а также исследования в области зрения и слуха. В те времена считалось, что скорость нервного импульса мгновенна или, по крайней мере, так велика, что не поддается измерению. Гельмгольц был первым, кто эмпирически измерил скорость прохождения нервного импульса, фиксируя моменты возбуждения двигательного нерва ножной мышцы лягушки и последующей мышечной реакции. Экспериментируя с нервами разной длины, он определял разницу во времени между моментом стимуляции нерва рядом с мышцей и моментом мышечной реакции, а затем проделывал то же самое, но уже стимулируя нерв в другом месте, дальше от мышцы. Эти опыты позволили определить скорость прохождения нервного импульса, которая в среднем оказалась равной 90 футам в секунду.
Гельмгольц проводил подобные эксперименты и на людях, но полученные результаты — даже относящиеся к одному человеку — настолько различались, что, в конце концов, он отказался от подобных исследований.