1867年，在对眼球机理进行多年研究之后，德国唯物主义医生、物理学家、哲学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹提出，视知觉中存在潜意识加工过程，即某种非自主的、前理性的类反射机制：脑的视觉系统能够将外来的原始视觉信号拼接成最连贯统一的图像。
亥姆霍兹是厄恩斯特·布鲁克的导师，后者同样是一名唯物主义医师兼物理学家。他们都致力于证明心智的组成元素是物理物质，且元素间的因果关系遵从物理和化学原理。不存在生命灵气和神秘主义，也没有所谓鬼魂。心智和身体是统一的。
布鲁克后来去维也纳大学担任生理学教授，并在那里对一名学生造成了深刻的影响，这位学生就是西格蒙德·弗洛伊德。
1868年，荷兰眼科医生弗朗西斯科斯·唐德斯想到了一个通过测量反应时间的方法来研究大脑，从而开启了实验心理学的大门。
百余年后，圣路易斯华盛顿大学的马库斯·雷 切利、迈克尔·波斯纳和他们的同事正是利用他提出的这一研究方法和他对大脑耗氧活动的洞见，从而发明了一项划时代的脑科学研究技术，即脑成像技术。而在此之前，潜意识便已经被认为是心智活动中最重要的组成部分，是思维所依赖的核心机制。
与此同时，有意识的心智则开始发展成为一个独立的领域，1874年，德国生理学教授威廉·冯特将这一研究领域界定为对思想、直觉和感受的研究。5年后，在莱比锡大学，他创立了首个心理学实验室，从而为自己赢得了“实验心理学之父”的称号。
同一时期，弗洛伊德则沉浸在他的“潜意识心智”的研究中。虽然经过了思想上的几次转变，但弗洛伊德最终从他的病人身上构建了一套系统的心理学理论。
他将心智分为三层：一为意识，即所有能被我们察觉的活动；二为前意识，包括一般意义上的、能够提取并送往意识层面的记忆；三为潜意识，即所有无法被意识觉察的感受、冲动、记忆和想法。根据他的理论，潜意识几乎影响了我们所有的思维、感受、动机、行为以及体验。
在美国，威廉·詹姆斯率先对意识问题开展了深入研究。他创立了实用主义的研究方法，实用主义的基础论点是认为我们的行为遵从我们内心的信念，也就是说，每当我们形成一个信念，我们就会相应地产生以某一独特方式行事的倾向。
一批实验心理学家对这一观点进行了发展。1898年，爱德华·桑戴克首次提出了联结的基本原理：效果法则。他发现，当一个反应跟随奖赏，这一反应将成为生物的习惯性反应，奖赏消失后，反应也随之消失。这一刺激-反应机制或许正是适应性行为建立的机制。
刺激-反应心理学也被称为行为主义。行为主义心理学领域的领头人是传奇巨匠约翰·华生，他认为心理学只有建立在可观察的行为基础上才能成为一门客观的学科。
他拒绝讨论一切无法被公开观察的心智过，反对研究大脑黑匣子。他认为心智就像一块白板，通过刺激-反应联结和奖赏学习，任何孩童都能被训练出任何能力。
在接下来的50年间，行为主义学派统领了整个美国，主持大局的是整个领域的代言人、哈佛大学心理学教授B.F.斯金纳。
直到20世纪中期，哈佛大学的乔治·米勒发起了一场认知革命，与此同时，加州理工学院的罗杰·斯佩里的心智理论问世，关于心智状态和意识的探讨才被重启。
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