На лекциях Топоров часто прибегал к формулировкам из учебника французского врача Гризолля (A.Grisolle, 1811–1869). Изучая этот учебник, Сеченов все больше недоумевал. «Какая же это наука медицина — ничего, кроме перечисления причин заболевания, симптомов болезни, ее исходов и способов лечения; а о том, как из причин развивается болезнь, в чем ее сущность и почему в болезни помогает то или другое лекарство, сведений нет». Тогда еще физиология только зарождалась, не существовало научной микробиологии и учения о заразных болезнях, а также гистологии.

Студент Сеченов обратился за разъяснениями к Полунину, тогдашнему медицинскому светилу, основателю первой в России кафедры патологической анатомии, которую он возглавлял. «Да не хотите ли вы, милостивый государь, подскочить выше своей головы, — удивился такой напористости профессор Полунин. — Гризолль не устраивает, изучайте труды Капштатта. Вообще говоря, молодой человек, имейте в виду, что знания берутся не только из книг, главным образом их добывают из практики. Будете лечить, ошибаться будете. Когда пройдете трудную науку у своих больных, вот тогда и станете врачом».

Не исключено, что Сеченов ушел бы из медицины так же легко, как расстался с военной службой, не встреть он на своем пути Ф.И. Иноземцева. Увлекшись странной теорией, заключающейся в том, что раздражения симпатической нервной системы, определяя характер большинства заболеваний, вызывают катар слизистых оболочек, Иноземцев, по словам Сеченова, упорно кормил всех пациентов своей клиники нашатырем как антикатаральной панацеей. За это его дразнили «салмоникой» («нашатырь» по-латыни «Sal ammoniacum»). Увлечение профессора Иноземцева ролью симпатической нервной системы в происхождении множества заболеваний, удивительное предвидение им значения нервной системы в учении о болезнях вызвали у Сеченова большой интерес. Так появилась на свет студенческая научная работа Сеченова «Влияют ли нервы на питание».

Уже в студенческие годы Сеченов почувствовал, что врачом-клиницистом он не станет. Его неудержимо влекла к себе физиология, которая методами точных наук — химии, физики — и своим собственным экспериментальным методом будет ставить живому организму вопросы и искать на них ответы. Он будет работать для того, чтобы медицина получила научную поддержку физиологии. 21 июня 1856 года Сеченов сдал экзамены в университете и получил свидетельство: «За оказанные им отличные успехи определением университетского Совета … утвержден в степени лекаря с отличием, с предоставлением ему права по защищении диссертации получить диплом на степень доктора медицины».

За границей физиология была на более высоком уровне, надо ехать туда, чтобы совершенствоваться в этой науке. Сеченов отправился в Берлин, столицу Пруссии. Начинать учение он решил с химии. Лабораторию медицинской химии возглавлял молодой ученый Гоппе-Зейлер. Сеченов в его лаборатории исследовал химический состав жидкостей, входящих в тело животных. Здесь у Сеченова родился план изучить острое алкогольное отравление. Мысль научно осветить влияние острого алкогольного отравления на организм человека была подсказана Ивану Михайловичу особой ролью водки в современной жизни. Сколько людей в самом цветущем возрасте погибало и погибает от алкоголя! Эта работа послужит ему материалом для докторской диссертации.

Накопление Сеченовым фактов об остром отравлении алкоголем, основанных на опытах, шло в лаборатории Эрнста Генриха Вебера (1795–1878), крупного немецкого анатома и физиолога, который одним из первых подробно описал строение симпатической нервной системы. Вместе со своим братом Эдуардом (1806–1870) Эрнст Вебер открыл важный факт: угнетающее (тормозящее) действие блуждающих нервов на деятельность сердца. Сначала Сеченов провел серию опытов по выявлению действия алкоголя на дыхание, а потом стал выяснять, как отражается прием алкоголя на азотистом обмене. Иван Михайлович делал эти исследования в двух вариантах: при нормальных условиях и при употреблении алкоголя. Чередовались дни, когда Сеченов, преодолевая отвращение к алкоголю, пил точно дозированные порции спирта, и дни, когда спирта не пил. Изучение действия алкоголя на мышцы и нервы Сеченов проводил на лягушках.

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.