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拉蒙-卡哈尔并不认为大脑是一团胶质，而是将这个组织看作“我们体内嗡嗡作响、永不休止的蜂巢”。[13] 即使最幼稚的医学生也能够认识到，细胞极小极小，肉眼当然是看不见的。而拉蒙-卡哈尔及其追随者指出了一个惊人的事实：在大脑的最外层即大脑皮层（产生运动冲动的地方）与它指挥移动的肌肉（如拇指屈肌）之间，只有两种神经细胞 。细小的“上运动神经元”始于大脑皮层并发出其刺状的、携带电信号的轴突，沿着大脑向下到达脑干。轴突在这里“垂直交叉”穿过脊髓，并沿脊髓下行，轴突的卷须状纤维在脊髓的另一侧继续向下延伸，直至触及颈部的“下运动神经元”。这种神经细胞从脊髓穿过颈椎之间的神经根，沿手臂向下延伸，直至前臂的拇指肌。在普通身型的成年人体内，“下运动神经元”的轴突长度超过两英尺 ！如此纤细的东西竟然可以这么长，简直令人难以想象。而如果科学家指出，细于蛛丝的轴突纤维可以从脊髓一直通到肌肉，我们同样会感到不可思议。这解释了为什么脊髓受伤后，重新连接每一根轴突束几乎是不可能的，也解释了为什么没有手术可以重接受损末端……目前还没有。
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“今天，当我们看着他的［拉蒙-卡哈尔的］绘图，呈现于眼前的不是图表或者结论，而是探索遥远前沿地带的第一幅清晰图景，绘制出它的人一直远行至无尽的远方。”[14] 圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔开启了对大脑和思维迷宫的研究。与戈尔吉一样，他也活到82岁，直到躺在病榻上，也没有停止探索的脚步。此时距离计算机断层扫描和磁共振成像阐明大脑的动态功能还有几十年，而拉蒙-卡哈尔如同漂泊在大海上的探索者一般，数年来日复一日地窥视着显微镜目镜，概括我们的微观世界景象。他永远是最伟大的思维制图师。
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爱德华·埃瓦茨（Edward Evarts，1926—1985年）在纽约市出生，就读于哈佛大学和哈佛医学院，1948年获得医学博士学位。毕业后，他即刻开始了自己的心理神经学研究生涯，并简单地完成了一个为期两年的精神病学培训项目，然后回到位于马里兰州贝塞斯达的美国国家心理健康研究院神经生理学实验室，在那里工作了30多年。埃瓦茨致力于钻研大脑的功能性通路，然而他不是对已经死亡的脑物质进行组织染色，而是发明出一种测试大脑电传导的方法。他的患者不是患有心理问题的病人，而是猫和猴子。
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埃瓦茨在20世纪60年代取得了几项突破性发现，特别是他发明出一种跟踪动物单个大脑皮层神经元的方法。埃瓦茨在1962年和1964年发表的文章中，先后介绍了未进行任何麻醉和约束的猫[15] 和猴子[16] 分别在清醒和睡眠状态下接受玻璃绝缘式铂铱微电极的结果。后来，埃瓦茨能够在猴子的操作性条件反射运动中跟踪单个神经元的活动。[17] 这些研究以神经生理学先驱数十年来的研究成果为基础，也遵循着医学每个分支领域的发展模式，包括解剖学、生理学以及最终的病理学。埃瓦茨并不是第一个在实验室动物身上使用植入式电极的人，但他“巧妙地完善了单个细胞记录法”，[18] 使其得到广泛应用，并为跟踪更加复杂的神经回路提供了可能性。
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埃瓦茨的最终目的是了解精神活动的物理基础，而他推断这首先要从理解四肢运动的放电模式开始。他认为“必须先理解运动，才能理解其背后的思维活动”。[19] 在接下来的20年中，埃瓦茨破译了神经放电的时间和顺序，不过，除了实验室技术之外，他对神经生理学的最大贡献是指导了一批杰出的神经科学家，其中包括一名哈佛住院医师，这位年轻人如果没有在公共卫生系统找到一份为山姆大叔效力的工作，就注定会被送往越南战场。医学及人文科学博士马伦·德隆（Mahlon DeLong）十分幸运，美国国家卫生研究院（及其心理健康研究院）将他中途拦下。
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马伦·德隆（生于1938年）就读于斯坦福大学，跟随一位研究淡水螯虾神经系统的生理学家学习。这位教授就是唐纳德·肯尼迪，未来的斯坦福大学校长以及《科学》杂志主编。[20] 德隆的本科学习并不是典型的医学院预科，却激发了他对生物系统的研究兴趣，于是，他考入了东部的哈佛医学院并于1966年毕业。他原本留在波士顿做住院医师，但由于越南战争的军事后勤需要，美国在1969年进行了臭名昭著的越南征募抽签。一旦抽中，（年轻的医生们）将被派往海外军医部队，德隆不想承受这样的风险，于是他接受了国家心理健康研究院爱德华·埃瓦茨实验室的研究员职位。在接下来的五年中，德隆将成为探究“思维线路板”的先锋部队中的一员。
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进入实验室工作后，德隆很快便意识到，大多数比较容易接近的大脑区域已经由实验室其他人员负责研究，而人们对遥不可及的大脑中心地带还知之甚少。这对德隆而言“就如同探索地图上尚未标记的非洲或亚马孙地区并为其绘图”。[21] 由于所有的“好地方”如运动皮层和小脑，都已经得到了一定的研究，马伦·德隆将注意力放在了“基底神经节”上，这一区域的常规结构和生理机能还几乎处于未知状态。这位年轻研究员并没有该领域的博士学位，但他很快便发现了一个惊人的事实：正如大脑皮层具有特异性，基底神经节中编码运动的神经通路也有局部特异性。
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正如保罗·布罗卡预测的那样，大脑功能是按区域划分的。大脑有极为特别的功能区，例如运动皮层。不但所有肌肉功能都由这个“运动带”（motor strip）控制着，而且在这个大脑的褶皱带中，形成了一套关于运动职责的怪异组合结构，在插图中往往以“侏儒”（homunculus）或“小人”（little man）的形象示人（见彩插20.5）。
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从图中可以看出，感觉区的分布似乎没有逻辑。例如，膝部感觉的位置靠近头顶，大脑在那里被平分为左右两个半球。同样，掌管面部肌肉运动的区域来自大脑半球中部的运动带——亲爱的读者，如果你触摸耳朵上方的头皮，皮下1英寸深处的大脑部分就控制了与你触摸位置相对的另外半张脸。德隆的重大发现是，在基底神经节中，分布着类似的独特活跃细胞，这些神经细胞与面部、手臂和腿的特定运动有关。他于1971年发表的文章[22] 具有里程碑式的意义，[23] 极大地挑战了科学家们所预想的基底神经节在运动中的作用。
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这篇文章发表后不久，德隆就回到了大学附属医院，不过，他并没有返回波士顿，而是转到了约翰斯·霍普金斯大学，在神经内科完成了三年的住院医工作。当身穿住院医师白大褂的德隆医生向上级医生讲解基底神经节的功能，显然他偶尔会遇到这种角色转换引起的尴尬。做住院医师间，德隆继续着自己的研究工作，然后便留在了约翰斯·霍普金斯大学，直到1989年。在这些年中，德隆及其医学研究小组证明，基底神经节的“结构并不是一个向运动皮层传送多种影响的漏斗，而是一系列平行独立的神经回路的组成部分，接送来自特定大脑皮层的信息。另一项惊人的发现是，神经回路不仅与运动有关，而且涉及认知和情感”。[24] 简单来说，马伦·德隆破解了大脑最深部的秘密，最终了解了为什么帕金森病这样的疾病会同时导致手部震颤痉挛和双腿无法活动。
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19世纪的杰出科学家无法对震颤、癫痫、偏头痛和脑部感染做出解释。圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔绘制出了自己看到的神经通路。接下来的一批神经科学家运用电极确定了神经细胞的放电模式，但科学家们需要患帕金森病的哺乳动物模型，才能进一步阐明运动障碍的复杂通路，或许还可以进行奇迹般的手术干预。1982年还没有人想过脑植入物，那是科幻小说里的东西。马伦·德隆一直希望能够以动物模型来检验自己的假说，这时他偶然读到了《科学》杂志上的一篇报道，文章详细介绍了湾区的海洛因食用者一夜之间变成帕金森患者的离奇故事。
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完成神经内科住院医师培训之后，德隆医生留在了约翰斯·霍普金斯大学，组建了自己的实验室，继续探索基底神经节的基本结构和功能。德隆受到MPTP患者报道的启发，想知道是否可以为帕金森病建立一个动物模型。他预感帕金森病的损害要比理论家们所认为的复杂得多。破解病因和发现治疗方法需要极大的想象力，而德隆“十分善于客观而抽象地思考事物的本质”，[25] 所以他正是破解大脑深处“黑匣子”复杂密码的合适人选。
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德隆最早在实验室动物身上进行的人造帕金森病研究工作为大脑研究带来了翻天覆地的变化。我们大多会将手部震颤症状与帕金森病联系起来，而这种疾病的其他主要症状包括四肢僵硬、行动缓慢、面部表情消失以及语言不清。总而言之，大部分症状都说明从运动皮层到肌肉的神经传导出现了抑制或者“简化”，因此，科学家们得出结论，帕金森病可以概括为控制运动的神经元之间出现了神经传导减慢的情况。事实恰恰相反 ，马伦·德隆回忆道：“一开始有人怀疑，但在实验第一天，我们就看到活动模式和放电速率变化很大，基底神经节的输出上升了 ，而不是下降了。”[26]
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德隆和同事们意识到，解密基底神经节是理解运动障碍的关键。随着实验的开展，他们发现了一个鲁布·戈德堡式的奇妙装置，大脑皮层和基底神经节元素之间的神经回路在这里成为焦点。他们首次观察到，某些神经通路向其他细胞巢发出了抑制信号，结果，沿“抑制”线路增加的放电导致下一次停留的信号减少。
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这是生理学和医学中的一个重要概念：在我们的DNA中、细胞中、腺体与器官之间以及神经通路中，都具有一些功能性元素，当信号分子或神经传导增加， 对应的效果会减少 。一个典型的例子是肿瘤抑制基因p53。“抗癌基因” p53处于激活状态时，可以帮助修复DNA缺陷、稳定细胞的完整性，从而抑制细胞从健康状态到癌变状态的转化。我们体内的许多激素具有类似的行为模式：蛋白激素分泌的增加会导致另一种蛋白质或离子的减少。换一个角度看，失去抑制就是纯刺激 。德隆证明，基底神经节是一组复杂的“平行独立的神经回路”，通过不同的神经通路连接基底神经节的各个区域和大脑皮层的特定区域，有些具有兴奋性，有些具有抑制性。同样令人惊讶的是，这些回路不仅与运动有关，也涉及情感和认知。
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基底神经节的最深处是“底丘脑核”。德隆在20世纪80年代后期得出结论，这一组细胞在帕金森病中至关重要。黑质显然是引起整个系统出现异常生理输出的退化区域，但德隆的MPTP动物模型显示，从“底丘脑核”到基底神经节其他部分的兴奋性冲动是增加的。他产生了一种想法：如果故意破坏（或“损伤”）底丘脑核，会怎么样呢？
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“马伦提出了一个惊人的建议，通过损伤这一区域来恢复帕金森病的活动平衡。真的想不到，他成功了。我可以毫不夸张地说，这是一个重大飞跃，因为50多年来，人们一直认为，损伤底丘脑核会产生异常的运动障碍，而马伦却提出损伤那一区域来治疗帕金森病，并实现了他所预测的结果。”[27] 马伦的前实验室同事说道。这就如同通过长时间晒太阳来治疗皮肤癌患者。
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马伦·德隆在1990年的《科学》杂志上发表了他的研究成果。[28] 在患有帕金森的实验动物猴子身上，损伤底丘脑核的方法减少了“对侧肢体的所有主要运动障碍，包括丧失运动能力、强直和震颤”。[29] 在医学领域，我们的第一直觉往往是错误的，而德隆却怀疑在大脑的另一部位造成额外的神经损伤可以减轻帕金森病，这种反常识的想法大获成功。
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丘脑下损伤实验取得了成功，下一步显然是开始对人类 的相同区域进行精确的放射性治疗。为此，德隆开始与神经外科同事合作，尤其在他将实验室和医学实践转到埃默里大学之后，即刻取得了积极成果。
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首例“苍白球切开术”（对基底神经节的一个部位进行选择性损伤）于1992年在埃默里进行。在此前的一些年里，神经外科医生已经开始为癫痫患者进行“功能性手术干预”。医生曾经尝试对大脑进行热损伤，但有时候会导致灾难性后果，患者出现流口水、抑郁、寡言的症状。这些干预属于刻意的永久性破坏，所以后果无法挽回。然而1992年的德隆有大量的理由感到乐观，比如大脑成像和电生理学标测技术的精确度，肯定比几十年前要好得多。
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实验性外科手术需要大胆而具有远见的医者、绝望无助的患者、勇敢无畏的家庭以及（必要的）时间来证明其效果。在最初的几年中，只有零零星星的病人接受手术，渐渐地，越来越多不愿被疾病击倒的患者选择了手术干预。在探索中前行的外科医生们要求对最初的一批患者进行几年跟踪随访，然后开展严谨的对照研究，还需要几年的时间来组织招募足够的病例以起草文章，再经过数月的反复编辑修改，才能最终发表。因此，实验性手术的随机研究的成果往往要经过十年的时间才出现在医学杂志上（比仅仅使用药物的治疗方式耗时长得多），苍白球切开术的历程便是如此。埃默里小组的文章于2003年发表，文章表明，在帕金森病的治疗中，手术干预比药物治疗更具优势。[30]
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在20世纪80年代，德隆和他的同事们成为将微电极传入大脑最深部位的专家。这些导线可以监测电极尖端神经元的放电模式。如果外科医生故意将电极留在大脑里，然后大胆地尝试不同频率的电流会怎么样呢？这或许不可能在美国发生，这里遍地都是律师的广告牌，律师们正真诚微笑着等待受理人身伤害案件。不过，另一个国家的一名医生大胆地实现了这一突破。
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阿里姆·路易·本纳比德（Alim Louis Benabid，生于1942年）是法国小城格勒诺布尔的一名神经外科医生。格勒诺布尔坐落于靠近意大利边境的阿尔卑斯山脚下，现在已经是欧洲首屈一指的研究和技术中心，当地最重要的科学和工程院校是约瑟夫·傅立叶大学。本纳比德与众不同，拥有约瑟夫·傅立叶大学的物理学博士学位和医学博士学位，是发动生物物理学革命的完美人选。
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虽然左旋多巴（levodopa）极大地改善了数十万名帕金森病患者的生活，但这种药物在五年后往往就失去疗效，即使患者从中受益匪浅，也会遭遇明显的副作用。本纳比德医生在整个20世纪80年代仍然会实施损伤手术，目标为严重受累的帕金森患者的丘脑。他通常使用的技术是将清醒的 患者小心翼翼地安置在手术台上，仔细地用夹具固定其头部，以保持头骨完全不动；然后在头顶部钻出一个小孔，在实时X射线检查的指导下，将一根长针悄悄地插入大脑深处。医生会在考虑到大脑复杂结构的情况下，向置于大脑深部的针状电极传送微量的电脉冲。探针瞄准的是丘脑中部，“如果稍微错后一点，就是丘脑的感觉区，患者会感到刺痛；如果向侧面偏太多，就会碰到锥体束，患者的手部或面部会出现收缩。”[31] 电极放错位置可能会导致患者瘫痪，因此，以低频率脉冲模仿神经放电至关重要。
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1987年的一天，在格勒诺布尔的手术室里，本纳比德想到一个问题：如果改变探针的电频率会怎么样呢？一个物理学家出现这样的疑问并不奇怪。本纳比德对一位患有严重震颤的老年患者进行了实验。将探针放入正确部位后，他开始改变频率。“我从非常低的频率开始探查效果——1赫兹，5赫兹，10赫兹……直到100赫兹，就这样幸运地得到了结果。”他仅仅改变了探针的电频率，就在没有让患者丧失其他神经功能的情况下，使帕金森病患者突然完全停止了震颤。“频率达到100赫兹时，我们可以抑制震颤……我想，啊哈，这可能就是解决方案。”[32]
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