Кахаль, оставив мечту стать художником, посвятил себя общей анатомии, а затем анатомии мозга. Наблюдая статическую, мертвую клетку, он, благодаря своему врожденному таланту художника и воображению, наделял ее свойствами живой. Известный английский физиолог Ч. Шеррингтон писал о Кахале: «Он описывал картины, которые видел под микроскопом так, словно они оживали, начинали чувствовать, двигаться, надеяться и умирать, как и мы. Это было поистине изумительно, хотя изучаемые препараты были либо мертвыми, либо зафиксированными». Кахаль ищет более совершенные методы, позволяющие идентифицировать нервные клетки во всем их множестве. Во-первых, Кахаль исследовал мозг не взрослых, а новорожденных животных. Так как количество нервных клеток в их мозге значительно меньше, они упакованы еще не так тесно, и их продолжения очень коротки, то ученый хотел увидеть в «клеточном лесу» мозга отдельные ростки новых клеток. Во-вторых, он использовал специальные индикаторные краски на основе серебра, разработанные им самим. Обосновывая свои новые методики, Кахаль рассуждал: «Почему бы нам не изучать молодой лес, поскольку старый, разросшийся непрогляден и непроходим? На ранней стадии развития еще относительно маленькие нервные клетки в любом интервале вырастают полностью, и даже изначальные разветвленные окончания будут видны достаточно четко». Таким образом, ему удалось проследить процессы развития нервной клетки – нейрона, определить ее конструкцию и составные части: клеточное ядро, аксон и множество нежных дендритов. Суммируя и анализируя свои наблюдения, Кахаль сформулировал четыре принципа учения о нейронах и разработал теорию нейронных конструкций, до настоящего времени определяющую понимание функций серого вещества головного мозга.
1. Нейрон является основной структурной и функциональной составляющей мозга, как его основной строительной ячейкой, так и элементарным переносчиком сигнала.
2. Окончание аксона одного нейрона устанавливает контакт с дендритами другого нейрона только в специальных местах – синапсах, лежащих между двумя нейронами и разделенных синаптическим зазором. Окончание аксона одной нервной клетки, которое Кахаль называл «пресинаптическим окончанием», подходит совсем близко к дендритам другой нервной клетки, но не касается их, как бы пытаясь «прошептать нечто тайное, доверительное».
3. Нейроны вступают в соединения непроизвольно. Каждая нервная клетка взаимодействует с синапсами только других определенных нервных клеток. С помощью принципа специфических соединений Кахаль смог показать, что нервные клетки связаны друг с другом только по определенным направлениям, которые он назвал «сетью переключений». Сигналы движутся по ним по правилам, согласно которым, каждый единичный нейрон осуществляет контакт посредством многих пресинаптических окончаний с дендритами множества целевых клеток. По этой причине каждый отдельный нейрон широко распределяет полученную им информацию, достигая целевых клеток, которые часто находятся в различных областях мозга. Дендриты целевой клетки, в свою очередь, воспринимают информацию целого ряда раздражений различных нейронов, которые могут интегрировать сигналы от других нейронов, даже от тех, которые лежат в других областях мозга. На основании анализа передачи сигнала, Кахаль пришел к выводу, что мозг является органом, состоящим из специфических, логически предсказуемых систем переключений. Этим он опроверг господствующее в то время мнение, согласно которому, мозг представляет собой «расплывчатую» нервную систему, в которой возможны любые виды взаимодействия.