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但直到19世纪后期，科学家们对一个最基本的问题——大脑是由什么物质组成的——依然不清楚。
虽然当时显微镜早已发明并运用在科学观测上已经两三百年了，而且科学家们早已通过显微镜观察提出了细胞学说，细胞作为生命单元构建了复杂的动植物组织的这一理论已被人们广为接受。但当时的人们还不清楚，大脑是否像其它器官一样，由独立的细胞组成。也不知道组成大脑的细胞是什么样子。
造成这一局面的原因是当时的技术条件有限。
在显微镜观察时，一般的流程是把要观察的物质切成薄片，固定好，用苏木精或其它染料染色，然后进行观察。
但由于脑中的细胞太多了，而且类型丰富多样，结构又复杂，当它们在显微镜下被观察时，这些细胞像灌木丛纠缠在一起，难分彼此。
要从这样的景象分辨出细微的结构是几乎不可能的。神经科学需要新的实验技术，以观察清晰完整的神经细胞。
故事的转折点出现在1873年，意大利米兰附近一间公寓的厨房里。
1872年，29岁的卡米洛·高尔基（Camillo Golgi）来到米兰附近一个小镇上的医院担任主治医师（对，就是那个发现高尔基体的高尔基）。高尔基之前在帕维亚大学学医，博士导师是精神病学家切萨雷·龙勃罗梭（Cesare Lombroso），后来跟随组织学家朱利奥·比佐泽罗（Giulio Bizzozero）学习过。此时的他已经是一位训练有素的医生和组织学家，对大脑的组成结构非常感兴趣。
刚到这家医院的高尔基非常沮丧，医院几乎没有科学仪器，也不提供经费支持他研究。但他还是行动起来，没有条件也要创造科研的条件。他自费买了显微镜，在自己公寓的厨房里建了一个简单的实验室。在这里，他的工作启发了现代神经科学的开端。
1873年，高尔基偶然发现，用重铬酸钾中硬化过的脑组织在经过硝酸银溶液浸渍过后，两种物质的反应会使组织变黑。虽然在镜头下，只有很少数的细胞被染上色，但是细胞的形态完整而清晰。
这是决定命运的一刻！人类终于观察到神经细胞的完整结构了。
图片来源：维基百科，用高尔基染色法染色的锥体神经元的照片，照片由Colorado大学的Bob Jacobs拍摄。
这种染色方法就是 “高尔基染色法”，也被称为“黑色反应”。使用这种方法染色，一次只有随机的、少于5%的细胞被染色。今天的科学家们仍在使用它。但直到今天，高尔基染色法的作用机制，仍没有被完全理解。
接下来的几年里，高尔基观察了脑的各个部分，一个复杂的，令人惊叹的世界展现在镜头下。
图片来源：Public domain，
1875年，高尔基利用高尔基染色法绘制的世界上第一幅神经系统插图。
高尔基染色清楚地展示出，脑中的神经细胞有一个主要部分叫做细胞体，细胞体上有两类完全不同的又细又长的延伸结构。
其中一类延伸结构（后来被称为树突）像树枝一样，不断分支，分支再分支，分支的分支还有分支；另一类细长的延伸结构（后来被称为轴突，可以延伸达1米或更长）一般只有一个，若有分支，分支一般都呈直角延伸出去。
高尔基依据观察提出，树突就像树根一样，为细胞体提供营养；轴突负责在神经细胞之间传递信号。他认为，神经细胞通过轴突彼此连通，形成一个像蜘蛛网一样的连续的网络。
高尔基据此认为，大脑是细胞学说的例外。
