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卡哈尔的世界在1888年被改变了，他把这一年称为“我最伟大的一年，我的幸运之年”。[7] 一位来自马德里的同事给他看了一些用高尔基法染色的神经细胞。卡哈尔对他所见结果的描述生动地展示了这种技术的力量：
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多么意想不到的景象！在非常清楚的黄色背景下，我看见了稀疏分布的黑色细丝，有些细长而光滑，有些厚实而多棘，还有那黑色的结构，有三角形的、星形的还有纺锤形的。这一幕就像是在透明的日本纸上画出的中国水墨画。当组织被胭脂红或苏木精染色时，会产生纠缠的灌木丛般的图像，难以分辨清楚。熟悉这些染色方法的人都知道，想要从这些图像中解读出细微的结构信息注定会徒劳无功，这非常令人沮丧。而在这里，一切都显得简单和清晰。你甚至都不需要去解读，你唯一需要做的就是去看……太让人惊叹了，我简直无法将目光从显微镜上移开。[8]
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这样的染色效果本就已经非常惊艳了，但卡哈尔很快还找到了改善高尔基染色的方法。通过研究鸟类、鱼类等动物不成熟的脑，并对一些技术进行摸索和微调（如把切片切得更厚以及二次染色），卡哈尔使这种方法变得更加可靠，并且能显示更多信息。他绘制的图解以前所未有的丰富细节展示了脑的结构，其中一些至今仍无法超越。这些图解清晰明了，富有视觉冲击力和美感，因此深受现代神经科学家的喜爱。但这些图解也是人为构建的。卡哈尔愉快地承认，每一幅图都是对许多不同脑显微切片观察的结果：在检视了这些切片后，他煞费苦心地将这些结果归纳成了一幅信息丰富的图像。这些图像的细节很准确，它们在外观上看起来也很自然，但它们仍然是人为构建的。
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卡哈尔的观察表明，脑和外周的感觉器官（如视网膜）有着清晰但神秘的组织形式。细胞的树突朝向外部的环境，而轴索则指向脑的中心。使用他改良后的高尔基染色法，卡哈尔发现神经细胞有许多不同的形状，而且形状相似的细胞会聚在一起分层排列。这些结果可能得出的一个诱人结论是，这种组织形式与脑的工作方式存在某种联系，不过卡哈尔无法想象出这是一种怎样的联系。但对于神经细胞是否连接成网这个棘手的问题，他可以用他敏锐而精确的观察来解决。
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首先，卡哈尔发现轴索并非像高尔基认为的那样是相互融合的。他随后还提出树突也不是相互融合的，而且也不提供营养，而是承担着一种至关重要的功能。卡哈尔的解释使用了当时最复杂的技术性隐喻——电报。卡哈尔认为，小脑中的浦肯野细胞与另一种类型的细胞——颗粒细胞（granule cell）存在联系，颗粒细胞“有点像支撑导线的电报线杆”，而这些细胞的树突的作用是与附近的细胞建立“传输接触点”。
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卡哈尔的电报隐喻与法国解剖学家路易-安托万·朗维埃（Louis-Antoine Ranvier）在1878年提出的一个类比恰巧相似。朗维埃猜测，包裹脊椎动物运动神经和感觉神经的髓鞘的作用是作为一种绝缘体，这种构建方式类似于海底的电报电缆。[9] 卡哈尔的研究发现，嗅球的结构可以作为一个例子来表明树突如何接收“从神经纤维传来的电流”：鼻子里的感觉细胞在脑中汇聚，形成一系列被称为“嗅小球”（glomerulus）的圆形实体，而另一类细胞的树突则与这些嗅小球形成连接，其轴索伸入脑的深处。卡哈尔指出，在视网膜中也可以发现类似的精确解剖结构。[10]
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1889年10月，卡哈尔出席了德国解剖学会的柏林会议。他带去了一些他最好的幻灯片，向参会代表展示了他惊人的研究成果。他后来回忆道：
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我开始用蹩脚的法语向好奇的人们解释我制备的标本中包含着什么。一些组织学家围在我周围，但只有少数几位……毫无疑问，他们在等着看我的笑话。然而，当无可指摘、极其清晰的图像出现在他们的眼前时……他们眉宇间的傲慢消失了。最后，参会者对这位谦逊的西班牙解剖学家的偏见消失了，转而对他报以热烈而真诚的祝贺。[11]
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显微镜下的这些细胞被染成了深红色或者黑色，在黄色背景的映衬下显得格外醒目，许多参会者都被这一幕震撼到了，神经解剖学的老前辈冯·科立克也是其中之一。冯·科立克很快复证了卡哈尔的发现，并让这位西班牙人的研究成果成为国际科学界的关注焦点。卡哈尔后来回忆道：“由于科立克在学界的权威地位，我的思想得以迅速传播，并得到科学界的赏识。”[12]
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1891年，德国解剖学家威廉·冯·瓦尔德耶（Wilhelm von Waldeyer）总结了卡哈尔、冯·科立克和其他一些人的研究结果。瓦尔德耶在报告中指出，一位名叫弗里乔夫·南森（Fridtjof Nansen）的挪威学生的研究表明，神经细胞之间没有发生融合。[13] （南森后来成了著名的极地探险家。）基于所有这些证据，冯·瓦尔德耶认为神经细胞是独立的个体，他将其称为“神经元”（neuron，有时写成neurone，源自希腊语“纤维”一词）。[14][15] 有关神经细胞的另一个重要的现代解剖学术语出现于1896年，此时已经80岁高龄的冯·科立克提出了“轴突”（axon）的概念，用来指代轴索。[16] 一切都齐备了，这种新的观点很快被科学界所接受，被称为“神经元学说”或者“神经元理论”，并成为未来所有神经系统研究的理论基础。[17]
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然而，高尔基继续拒绝承认神经元是独立的细胞。两种观点的争论一直持续到1906年，高尔基和卡哈尔在这一年共同获得了诺贝尔奖（两人在斯德哥尔摩的颁奖典礼上首次见面）。高尔基的获奖感言显得很不情愿，而且有些古怪，他完全反对神经元理论，并强调对他来说，神经系统，尤其是脑，有一个“统一的活动”。他确信，脑的不同区域的组织结构不能揭示其功能，并指出：“特定的功能与中枢组织结构的特征无关，而是与注定要接收和传输神经冲动的外周器官的特性有关。”[18]
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就像弥勒半个世纪前提出的“特定神经能量定律”一样，高尔基认为不同的感觉器官会产生不同类型的感觉活动。尽管高尔基对科学做出了巨大的贡献，但他的观点明显已经落后于时代了。
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1894年2月，卡哈尔在英国皇家学会做了一次著名的演讲。他回顾了半个多世纪以来对脑结构的微观研究，描述了自己的独特贡献，并探讨了审视脑工作机制的各种方式。[19] 他的出发点是一个已经被广泛接受的观点：哺乳动物的脑构成了“自然界中可发现的最精细复杂的机器”。[20] 但与之前的思想家不同的是，卡哈尔能够描述出他所谓的这种结构的各个组成单元，并提出它们的功能类似于当时覆盖欧洲和北美大部分地区的电报网络的组成部分：
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神经细胞由以下部分组成：接收电流的装置（树突延伸和胞体）、传输装置（轴索）以及分配或发布装置（神经末梢的树状分支）。[21]
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神经元不同部分的这三种功能（接收、传输和发布）被演讲中使用的图解充分地展现了出来。图解中包含一个卡哈尔从1891年开始使用的关键说明工具：他在图解中使用了箭头来表示“神经电流的可能方向以及细胞之间的动态关系”。[22] 卡哈尔将其晦涩地称为“神经元的动态极化”：
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在可确定兴奋来源的器官中，我们看到细胞是极化的，这样神经电流总是通过原生质体或细胞体进入，然后通过轴索离开，由轴索把神经电流传送到一个新的原生质体。[23]
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卡哈尔并不是唯一提出这个想法的人——大约在同一时期，比利时神经解剖学家亚瑟·范·格胡克滕（Arthur van Gehuchten）也提出了类似的想法。[24] 神经电流只能向一个方向流动的原理，在感觉系统的微观组织结构中是显而易见的，比如在视网膜上，感觉的印象是从外周向中枢传导的。这个方向性的原理在大尺度的神经纤维层面上同样适用，人们知道这一点已经好几十年了：到19世纪30年代时，由于英国解剖学家查尔斯·贝尔爵士和法国生理学家弗朗索瓦·马让迪（François Magendie）的研究，人们已经接受了脊髓中的反射弧是有方向的这一观点。轻拍膝盖下的肌腱会使你的大腿肌肉收缩，但刺激你的大腿并不会让肌腱做出反应。
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当卡哈尔和范·格胡克滕在微观层面上发展他们关于神经功能的单向性的观点时，心理学先驱威廉·詹姆斯总结了神经和肌肉的宏观解剖学和功能研究的结论，以及它们形成反射弧所遵循的通路。他在1890年出版的《心理学原理》中写道：
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卡哈尔绘制的视网膜图解。光线从顶部进入视网膜，到达标记为“A”的视网膜细胞
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通路都是单向的，即从“感觉”（sensory）细胞到“运动”（motor）细胞，再从运动细胞到肌肉，方向绝不会与此相反。例如，运动细胞永远不会直接唤醒感觉细胞，而是通过放电产生身体的动作，由身体动作产生流入电流，通过这些电流来激活感觉细胞。感觉细胞总是或通常倾向于向运动区放电。让我们把这个方向称为“正方向”。我把这个规律称为假说，但实际上它是不容置疑的真理。[25]
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为了强调他的观点，詹姆斯用了一些图示来说明不同细胞类型的组织结构。在这些图中，细胞与细胞间都形成了连接，就像在一个网络中一样。和卡哈尔一样（但比卡哈尔早一年），威廉·詹姆斯也使用了箭头来表示假设的神经电流的方向。
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虽然神经系统具有高度组织化的结构，但卡哈尔有关整个神经系统的运作机制的观点却远远不是机械的。树突复杂的分支模式表明，其功能可能涉及多个可供选择的通路，这取决于卡哈尔所谓的“敏感印象”（sensitive impression）的强度。卡哈尔认为，弱兴奋将直接传递到网络中，而强兴奋则可能通过树突分支传播到邻近的细胞，结果是“整个对侧短分支系统都将受到影响”。[26]