贝尔法则的建立
医学家、生物学家以及哲学家向来喜欢将高等动物的神经系统，特别是大脑的活动作为主要的研究对象。在对神经生理学进行探索的过程中，人们进行了许多有趣的观察，积累了大量的知识并提出了不少大胆的设想，贝尔是在神经生理学方面取得伟大成就的第一位科学家。贝尔是19世纪的英国著名外科医师和解剖学教授，他以兔子为实验对象，对神经系统兔子进行解剖研究。当时神经生理学还处在初级阶段，人们对神经系统功能的认识只是想象和猜测。贝尔发现每一根脊神经都是由背侧支和腹侧支组成的，当切断背侧支时相关肌肉不运动，而轻微刺激腹侧支就能引起肌肉运动，这种现象引起了贝尔极大兴趣。1811年，他以小册子形式私下将他这一发现发表了，这个小册子就是《有关脑与神经系统解剖的新观点》。1821年，他在一篇论文中明确阐释了这种现象。他认为脊神经的背侧支和腹侧支不仅在解剖学上有差异而且功能截然不同：背侧支的功能是感觉，而腹侧支的功能是运动。他的这一伟大发现在英国伦敦没有引起足够的重视，甚至于被人嘲笑。可喜的是1822年法国杰出生理学家马让迪通过大胆的活体解剖和明晰的推理进一步阐明了贝尔的发现。贝尔和马让迪为人类做出了杰出贡献，人们将上述现象称为贝尔法则或贝尔－马让迪定律来纪念他们。
贝尔法则是一个全新的法则，它第一次从科学的角度揭示了脊神经的功能特点，为人们探索神经系统的生理机制开辟了道路。因此，贝尔法则的发现和确立被认为是生理学继哈维发现血液循环之后取得的最伟大的成就。当时，贝尔法则在英国并没有被人们广泛接受，马让迪的研究在法国也没有得到更多的重视，但是德国的生理学家如赫尔姆霍茨在贝尔一马让迪定律的基础上对神经的电传导进行了深入研究，从而推进了神经生理学的发展。20世纪上半叶，神经生理学主要向两个方向发展：一是谢灵顿在卡哈尔神经元理论基础上提出反射学说和神经整合理论，另外是巴甫洛夫在谢切诺夫研究的基础上提出条件反射学说和高级神经活动类型学说。
西班牙组织解剖学家卡哈尔改进了意大利细胞学家高尔基提出的银渍法，对各种各样的神经组织做了系统的切片染色观察。根据观察，他明确提出神经系统是由分开的、边界明确的神经细胞组成的，第一次让人真正对神经元理论有所了解并认同。卡哈尔因为这个发现获得了1906年的诺贝尔奖。然而，和他分享诺贝尔奖的高尔基却并不认同他的思想，高尔基顽固地坚持神经网络学说，他们甚至在获奖演说中仍然各抒己见、针锋相对、毫不相让。卡哈尔在临死之前还出版了一部著作，这部著作明确阐述神经元理论。在此之前，在神经生理学领域中不少人认为神经系统是复杂的网状结构，神经细胞位于网的交接处，并由它们伸出的纤维末梢互相融合在一起。卡哈尔的研究促使人们对神经系统的结构有了一个崭新的认识。
谢尔顿的神经理论
英国的谢灵顿试图在贝尔法则的产生和神经元理论的建立的基础上来描述神经冲动的实际传导途径。他把猴子作为实验对象，并对其研究膝跳反射的神经通路。所谓反射就是神经冲动从外周感受器传到脊髓或脑，再由运动神经传到肌肉产生运动的特定的过程。谢灵顿描绘出了脊髓的传入传出系统图，他已经知道脊髓各段上的反射弧是通过脊髓外区的上行和下行神经纤维相互联系的，膝跳反射是传入传出以及中间神经元之间互相合作的结果。谢灵顿还在神经元进行显微解剖研究时对神经元之间的复杂联系进行了探索，他称神经元之间的复杂联系为突触，突触的发现和命名让神经元理论得到了完善。
膝跳反射是一种比较简单的反射通路，在研究了这种比较简单的反射通路之后，谢灵顿开始研究比较复杂的反射系统——狗的抓挠反射。当狗的抓挠反射即轻挠狗的背侧或腹侧不同部位，它的一条后腿便自动地进行抓挠运动，这种运动包括了许多肌肉的动作，反映了中枢神经系统的整合作用。为了证实这一点，谢灵顿设计了一个更加简单的实验。他用微型电刺激器刺激狗背并标记出能引起抓挠反射的区域，这才发现切断来自皮肤的两条传入神经中的一条时，用阈下刺激这个区域将不会产生抓挠反射。如果两条神经都未损伤，分别给予一个阈下刺激便能合起来产生一个阈反应。谢灵顿以他的独立神经通路的聚合最后进入共同通路的思想来解释这一现象。
1906年，谢灵顿在耶鲁大学做了多次演讲。在这期间他还出版了《神经系统的整合作用》一书，在书中他把生物体及其反应的统一性放在了重要位置。生物体及其反应的统一性是他1932年获诺贝尔奖的主要成就。一次世界大战以后，他研究中枢抑制问题，还分析了每个神经细胞的兴奋抑制过程。他基本上搞清了反射抑制的基本作用，并指出“抑制是个协调因子”。他还对人类的受容性反射、姿势保持性反射等进行了有效的研究，并取得了有效的成果。
谢灵顿是一个务实的人，他不仅是一个脚踏实地的科学家，而且是一个科学思想家。他对自己的实验结果以及同时代人的成果进行了很好的概括和总结。他认为动物的行为可以分为三个水平：第一个水平是物理化学水平，包括神经元中神经冲动的物理化学传递；第二个水平是心理水平，在这个水平上许多神经生理学过程被整合起来，创造出一个有知觉能思维的个体；第三个水平是非物质的心灵和物质的身体的相互作用，所有意志行为都反映心灵和身体的协调。
走入神经生物学时代
神经生物学时代是一个全新的时代，这一时代的主要特征是科学家们开始运用物理化学方法和现代化的仪器设备对神经活动的各个方面进行了深入细致的研究。在神经生物学时代，神经传导和感觉与功能定位方面取得了最为可观的成果。
19世纪，人们只是对神经系统的结构和功能有较为全面的认识，但是对于神经传导的机理却知道得不是很多。1902年，德国生理学家贝恩施坦根据细胞内外钠钾离子浓度的差异和他老师杜布瓦·雷蒙关于动作电位的设想，第一次提出了神经电产生和传递的膜假说。他假定神经或肌肉纤维的膜一般是极化的，外边有较多的正离子，内部有较多的负离子，动作电位是膜的去极化过程，损伤电位的产生就是破坏了膜的结果，这一假说在20世纪上半叶得到了初步的实验证明。1939年，霍奇金用微电极测量乌贼大神经轴突内外电位变化时，发现静止时轴突内负于轴突外60～70毫伏，兴奋时外负于内40～50毫伏，这一现象用贝恩施坦假说难以解释，1947年，霍奇金和卡茨提出了钠离子乌贼假说。他们巧妙地运用了“电压钳制”法，成功地记录了电位变化各个阶段电流和离子流的变化，并绘出了膜通透性改变和整个电位变化两条相关曲线，初步揭示了钠钾离子交换与电位变化的关系。
神经的化学递质研究在当时也是一种颇有争议的研究。1905年，剑桥大学年轻的生理学家埃利奥特发现用电刺激交感神经所引起的反应与肾上腺素的作用非常类似，于是他大胆地提出这样一种观点，即每当一次神经电脉冲到达时，在其肌肉接点附近的储存外就释放肾上腺素。埃利奥特第一次将神经传导与化学物质联系起来，可惜这种新思想在当时没有引起权威们的重视，也没有得到更大的推广。
在埃利奥特进行研究的16年后，维也纳生理学家洛伊进行了系统直观的实验，直接证明心肌上交感和副交感神经末梢释放两种性质相反的化学物质：迷走神经释放的物质使心脏减速甚至停止跳动；交感神经释放的物质使心脏跳动加快。不久戴尔和洛伊直接证明了迷走神经释放的物质是乙酰胆碱。与此同时，美国的坎农和巴克证实了交感神经释放的是去甲肾上腺素。1945年瑞典化学家欧勒发现去甲肾上腺素贮藏在交感神经末梢的颗粒即突触小体中，并且明确表述了去甲肾上腺素和其他单胺类物质的吸收、贮藏和释放过程。
大量神经化学物质的发现，为人类研究神经生理学奠定了坚实的基础。人类文明的脚步不会停止，有30多种神经化学物质在二次世界大战之后被发现，这些物质各自有特殊的兴奋抑制作用，分别集中于特定的神经元组群中。20世纪70年代，人们对脑啡肽研究的兴趣日增。1973年，美国药理学家珀特在脑内发现了吗啡受体。1975年，英国的休斯从人、猪、兔等动物的脑中分离提纯出一些具有吗啡样活性物质的多肽，这种多肽被称为内源性吗啡样因子（MLF）。MLF是在脑中合成的神经递质，它的发现为解释镇痛等提供了基础。20世纪50年代，英国的弗什潘曾在无脊椎动物上发现有些突触是借电流传递信息。20世纪70年代，法国的萨特洛发现在脊椎动物中枢神经系统神经元之间存在着电相互作用。
法国医生布卢卡首次提出了大脑皮层具有功能区这一理论。1861年，法国医师布卢卡在解剖两名失语症患者的尸体时，发现他们的大脑额叶中央前回底部有损伤，布卢卡认为这是与言语有关的功能区，即现在所称的“布卢卡三角区”。1874年，德国学者范尼克通过鉴定证实了左侧大脑另一个区域额上回后部和言语也有关系，后来这个区域被称为“范尼克区”。20世纪世纪30年代，德国神经外科医生福斯特和加拿大蒙特利尔神经研究所的潘菲尔德用电刺激方法对人脑进行了功能定位研究。他们刺激各个部位，从引起的脑电反应来确定大脑皮层的功能区。根据实验结果，他们绘制出了皮层上的功能区域图。大脑皮层体感区和运动区是专门化的，体感区集中在中央后回，运动区集中在中央前回，身体的各个功能在大脑皮层都有所反映。20世纪40年代，斯佩里从事大脑两半球功能比较研究。他用猴子做实验，发现两半球各自相对独立，具有不同的分工。20世纪60年代，斯佩里和加扎尼加一起对患癫痫病的人做了两半球割裂治疗，进一步发现语言功能主要在左侧。当外界视像只进入左半球时可以用语言表达所见到的物质；但只进入右半球时则不能用语言表达却可以用手势表达。