Der Titel des anatomisch-physiologischen Hauptwerkes de usu partium bezeichnet schon im vorhinein den Geist der Forschung. Der Kardinalfehler lag darin, daß Galen, bevor der Naturmechanismus vor Augen lag, schon die Naturtechnik ergründen wollte; in der Mehrzahl der Fälle, und wenn er in die feineren Einzelheiten herabstieg, verlor er sich hierbei in ganz willkürliche Annahmen.
Gegen die Teleologie wurde schon von Anaxagoras der Einwand erhoben, daß eine Anpassung entsprechend der Funktion stattfinde; später bestritten namentlich die Philosophen und Aerzte der atomistischen Richtung die Zweckmäßigkeit des Baues und der Verrichtungen des menschlichen Körpers. Die Autorität des Aristoteles war aber stärker, und durch die Stoa kam die Teleologie, noch dazu in recht naiver und populärer Weise, zur Anerkennung. Galen wiederholte die Argumente des Aristoteles und führte unter anderem auch die auffallende Einförmigkeit des Baues bei verschiedenem Gebrauch der Teile als einen Beweis der beabsichtigten Zweckmäßigkeit an. Seine teleologischen Betrachtungen, welche manchmal dadurch komisch wirken, daß sie den Vorzug des menschlichen Körperbaues (z. B. der Hand oder des Fußes) auf Grund von Untersuchungsergebnissen an Tieren (Affen) zu erweisen versuchen, reißen den Pergamener an einzelnen Stellen zur flammendsten Begeisterung über die Güte und Weisheit der Vorsehung hin. „Die wahre Frömmigkeit,“ sagt er, „besteht nicht in dem Opfer der Hekatomben, nicht in Räucherungen mit Spezereien, sondern in der Kenntnis und Verkündigung der Weisheit, der Allmacht, der unendlichen Liebe und Güte des Vaters der Wesen. Seine Güte hat er durch die weise Sorgfalt für alle seine Geschöpfe bewiesen, indem er jedem das ihm wahrhaft Nützliche verlieh. Laßt uns mit Hymnen die Güte des Schöpfers preisen.“ ... Anderseits wendet sich Galen gegen diejenigen, welche die Macht des höchsten Wesens für unbeschränkt halten, wie Moses, und er verwirft die Mosaische Kosmogonie, weil dieselbe in dem unbedingten Willen Gottes den einzigen Grund des Daseins und der Harmonie der Schöpfung erblicke, ohne auf die undurchbrechbaren Gesetze Rücksicht zu nehmen. Entsprechend der Teleologie sucht Galen vorwiegend die ersten Ursachen, die den Zweck der erfolgten Wirkung enthalten, zu ergründen. „Denn,“ sagt er, „es wäre lächerlich, wenn jemand auf die Frage, warum er auf den Markt ginge, antworten wollte: weil ich bewegliche Füße habe, statt zu sagen, weil ich etwas kaufen will. Mit der ersten Antwort hat er zwar eine Ursache angegeben, aber nicht die erste und wahre.“ Er kennt vier Arten von Ursachen: die erste ist die Endursache, warum etwas geschieht, die zweite die wirkende, von wem, die dritte die materielle, woraus, die vierte die Hilfsursache, wodurch etwas geschieht. Galen ist in der Bevorzugung der causae finales gegenüber den causae efficientes nur ein Schüler des Aristoteles, desgleichen in den Begriffen der Entelechie, der Aktualität und Potentialität etc. (vergl. S. 248).
Die drei Hauptorgane sind die Leber, das Herz und das Gehirn.
Die Leber ist die Stätte, wo das Blut aus der Nahrung bereitet wird.
Bei der Verdauung werden drei Digestionen unterschieden, die erste geht im Magen vor sich, die zweite in der Leber, die dritte in den Organen, jede derselben liefert überschüssige Stoffe, welche den Körper verlassen. Die aufgenommene Nahrung wird im Magen verdaut, wobei die durch die vier Leberlappen vermittelte Wärme unterstützend wirkt und das Spiel der vier organischen Unterkräfte (der anziehenden, anhaltenden, verändernden und austreibenden) funktioniert. Der im Dünndarm entstandene Chylus gelangt auf dem Wege des Pfortadersystems in die Leber, wo ihn das πνεῦμα φυσικὸν (spiritus naturales) in Blut verwandelt (zweite Digestion). Vorher aber ist die Milz — nur wegen Raummangel, sagt Galen, liegt sie nicht unmittelbar neben der Leber - als blutreinigendes Organ in Tätigkeit getreten, indem sie dem Nahrungsstoff die dicken, erdigen Teile entzieht und daraus die schwarze Galle bereitet. Die letztere wird durch einen Gang zuerst in den Magen übergeführt, sodann durch die Gedärme mit den Fäces entleert. Ein Teil des Blutes fließt von der Leber durch besondere Venenstränge direkt zum übrigen Körper, ein anderer Teil aber durch die Venae hepaticae und die Vena cava ascendens in das rechte Herz. Dort findet vermittels der „eingepflanzten“ Wärme ein weiterer Reinigungsprozeß statt, wobei die unbrauchbaren Rückstände als Ruß oder Rauch, λιγνύς, während der Exspiration durch die geöffneten Semilunarklappen nach außen entweichen. Vom rechten Herzen aus dringt das Blut sodann einerseits in die Arteria pulmonalis und in die Lungen, anderseits durch die supponierten Poren der Herzscheidewand in das linke Herz, woselbst es einer neuerlichen Vervollkommnung entgegengeht. Diese erfolgt dadurch, daß das bei der Atmung mit der Luft aufgenommene und auf dem Wege der Lungenvene in das linke Herz während der Diastole einströmende Pneuma sich dem Blute beimischt (als πνεῦμα ζωτικὸν) und demselben eine weit reinere, dünnere, dunstartige Beschaffenheit erteilt. Das vorzugsweise aus dem πνεῦμα ζωτικὸν (spiritus vitales), zum geringeren Teile aus Blut bestehende Gemenge wird durch die Arterien dem Körper zugeführt.
Das Herz ist der Urquell der eingepflanzten Wärme, die Bereitungsstätte des πνεῦμα ζωτικὸν und das Verteilungsorgan von (Blut und) Lebensgeist. Der rechte und der linke Ventrikel bewegen sich gleichzeitig, nur die diastolische Phase ist aktiv. Der rechte Ventrikel[19] erwärmt das in ihm befindliche Blut und entsendet es bei der Systole in die Venen, die Lungenarterie (φλὲψ ἀρτηριώδης) führt der Lunge nur zum Zwecke der Ernährung Blut zu; der linke Ventrikel[20] zieht während der Diastole Pneuma aus den Lungenvenen an[21], bereitet den Spiritus vitalis, durchgeistigt mit demselben die vom rechten Herzen empfangene Blutmenge und treibt das dunstartige, vorwiegend aus Pneuma bestehende Gemisch bei der Systole in das Arteriensystem. Das linke Herz ist bedeutend dickwandiger als das rechte, damit es trotz seines luftartigen Inhalts an Schwere nicht zurücksteht und solcherart das Gleichgewicht, die senkrechte Stellung des ganzen Organs ermöglicht wird. Zwischen Arterien und Venen sind insbesondere an ihren Enden verbindende Anastomosen (ähnlich den Poren der Herzscheidewand) vorhanden, wodurch ein Teil des arteriellen Pneuma auch in die blutführenden Venen dringen kann. Die Gesamtmenge des Blutes dachte sich Galen sehr gering (namentlich bei Greisen), im Arterien- und Veneninhalt scheint er eine rhythmische, auf- und abwogende Bewegung vorausgesetzt zu haben, für seine von manchen vermutete Kenntnis des Kreislaufs spricht keine Stelle. Da er in der Bereitung des Lebensgeistes die Hauptaufgabe des Herzens findet — deren Vollstreckung an die Atmung geknüpft ist —, mußte er zur Ansicht kommen, daß die Herztätigkeit erst nach der Geburt beginnt. In der galenischen Physiologie des Gefäßsystems zeigt sich die unheilvolle Macht wissenschaftlicher Suggestionen und voreiliger Spekulationen ganz besonders kraß, denn der Pergamener hatte es nicht daran fehlen lassen, mittels der Beobachtung (an einem Knaben, dessen Sternum durch Karies zerstört war), mittels zahlreicher Tierexperimente die Lösung des Problems zu unternehmen, indem er die Bewegung des Herzens (auch nach der Trennung von den großen Gefäßen) verfolgte, die Ventrikel auf ihren Inhalt untersuchte u. s. w. Wohl beschrieb er die Herzbewegungen ziemlich richtig, wohl stellte er (im Gegensatz zu den Erasistrateern) fest, daß auch das linke Herz Blut enthalte, aber die fundamentalen Wahrheiten entgingen ihm völlig, infolge seiner Voreingenommenheit durch die Pneumatheorie und durch die Lehre von der Blutbildung in der Leber. Und wie sehr es nicht auf das Experimentieren an sich, sondern auf die unbefangene Deutung ankommt, beweist am besten die Tatsache, daß Galen die Lehre vom Arterienpuls gerade durch einen vermeintlich exakten Tierversuch auf eine ganz falsche Fährte brachte. Die rhythmische Tätigkeit des Herzens führte er gemäß den allgemeinen dynamischen Prinzipien auf die δὑναμις σφυγμικὴ zurück; es fragte sich nun, woher die Pulsation der Arterien stammt, ob sie etwas Selbständiges oder von der Herzkraft Abhängiges vorstellt. Die Vorgänger hatten eine oder die beiden Phasen der Pulsbewegung als aktiven Vorgang erklärt oder sie ließen den Puls bloß passiv durch den Andrang des Pneuma entstehen. Galen unternahm zur Entscheidung der Frage folgendes Experimentum crucis. Er legte um die bloßgelegte Arteria femoralis an zwei Stellen eine Ligatur an, worauf der Puls verschwand. Sodann öffnete er das Gefäß zwischen den Ligaturen und führte eine metallene Röhre ein; nach Lösung der Ligaturen trat der Puls wieder auf. Zur Kontrolle wiederholte er den ganzen Versuch, aber mit dem Unterschiede, daß er vorher noch eine dritte Ligatur zentralwärts angebracht hatte. In diesem Falle blieb auch nach der Entfernung der beiden unteren Ligaturen der Puls aus, woraus er schloß, daß „die pulsierende Kraft gehindert werde, vom Herzen zur Arterie zu gelangen“, daß also der Arterienpuls durch eine vom Herzen mitgeteilte Kraft entstehe.
Ersprießlicher war Galens Experimentalforschung in anderen Fragen[22], namentlich aber hinsichtlich des Problems der Respirationsmechanik. Durch Versuche, welche in der Durchschneidung der Interkostalmuskeln oder ihrer Nerven, Resektion einzelner Rippen, Durchtrennung des Rückenmarks (Lähmung der Phrenici) bestanden und noch durch Beobachtungen an penetrierenden Brustwunden ergänzt wurden, kam er unter anderem zum Ergebnis, daß bei ruhiger Atmung hauptsächlich das Zwerchfell, bei stürmischer aber außerdem die Intercostales tätig sind, daß bei der Inspiration die Luft mechanisch in den erweiterten Brustraum eindringe. Freilich ließ er sich auch auf diesem Gebiete durch falsch gedeutete Experimente und Beobachtungen zur Annahme verleiten, daß die Pleurasäcke (Aufblasen mittels einer Röhre) normaliter mit Luft gefüllt seien, welche bei der Zusammenziehung und Ausdehnung unterstützend wirke.
An der Atmung im galenischen Sinne ist neben den Lungen auch das Herz und das ganze Arteriensystem beteiligt, indem das letztere bei der Diastole noch Luft durch Haut aufnimmt, bei der Systole den „Ruß“ durch die Haut ausscheidet (Perspiration). Puls und Respiration dienen also dem gleichen Zwecke. Nach Galen ist bei der Verbrennung derselbe Bestandteil der Luft maßgebend wie beim Atmungsprozeß und er hofft von der Zukunft, daß es gelingen werde, denselben zu entdecken.
Bewundernswertes leistete er in der experimentellen Nerven-, Gehirn- und Rückenmarksphysiologie, hier waren seine Leistungen wahrhaft bahnbrechend. Die Durchtrennungen von Nerven oder des Rückenmarks in verschiedenen Höhen lieferten sichere Ergebnisse hinsichtlich der Fragen über die Entstehung und den Sitz gewisser Lähmungen, und selbst die schichtenweisen Abtragungen des Gehirns (von Schweinen), welche Galen vornahm, um die cerebralen Funktionen zu ergründen, bleiben höchst anerkennenswert, wenn ihr Zweck auch nicht erfüllt wurde. Das Gehirn ist Sitz des Denkens (ψυχὴ λογιστικὴ), Zentralstätte der Empfindung und Bewegung, und diese Funktionen beruhen auf dem πνεῦμα ψυχικὸν, welches aus dem feinsten Inhalt der Karotiden in den Plexus chorioidei der Seitenventrikel bereitet wird. Zu Gunsten der Pneumatheorie wendet Galen viel spekulativen Scharfsinn auf, um anatomisch klar zu machen, welche Wege der „Seelengeist“ durchwandert, und noch von größerem Nachteil für die Zukunft wurde es, daß er an der alten Sekretionslehre festhielt, wonach die Unreinigkeiten (schleimige Feuchtigkeiten) des Gehirns durch das Siebbein nach Nase und Gaumen entweichen (die feineren Stoffe durch die Schädelnähte). Damit hängt es auch zusammen, daß er den Geruch in die vorderen Hirnhöhlen verlegte (Hinweis auf den Kopfschmerz, der durch starke Niesemittel erzeugt werden kann).
Aus der galenischen Gehirn- und Rückenmarksphysiologie sei folgendes erwähnt. Das Gehirn selbst ist empfindungslos, es besitzt eine mit der Atmung zusammenfallende Bewegung, welche den Zweck hat, das Pneuma aus den Hirnhöhlen in die Nerven zu treiben; die Meningen dienen zur Befestigung, als Hülle und zur Vereinigung der Gefäße; Druck auf das Gehirn erzeugt Sopor, Verletzung des vierten Ventrikels oder des Anfangsteils des Rückenmarks wirkt tödlich. Der Sitz der Seele ist in der Gehirnsubstanz, nicht in den Häuten gelegen. Das Rückenmark ist Leiter der Empfindung und Bewegung, es ist gleichsam das Gehirn der unterhalb des Kopfes liegenden Körperteile und entsendet gleich Bächen die Nerven. Durchtrennung des Rückenmarks in der Längsachse bewirkt keine Lähmung, Durchtrennung der Quere nach hat gleichseitige Lähmung zur Folge, durchschneidet man das Rückenmark zwischen drittem und viertem Halswirbel, so erfolgt Stillstand der Atmung, geschieht dies zwischen Hals- und Brustwirbelsäule, so atmet das Tier nur mehr mit dem Zwerchfell und den oberen Stammmuskeln. Durchschneidung der N. recurrentes zieht Aphonie nach sich, solche des fünften Halsnerven Lähmung der Skapularmuskeln. Die Ganglien betrachtet er als Verstärkungsorgane der Nerven. Der aus Gehirn- und Rückenmarksnerven zusammengesetzte Sympathikus ist die Ursache der großen Empfindlichkeit der Bauchorgane. Das Nervenagens ist ähnlich den Sonnenstrahlen, welche durch Luft und Wasser dringen.