Pese a la escasez de medios, consiguió notables resultados experimentales, entre los que destaca el método de tintura con nitrato de plata, que revolucionó el estudio en el laboratorio del tejido nervioso. Empleando tal método logró identificar una clase de célula nerviosa (que fue bautizada con su nombre), dotada de extensiones o dendritas mediante las cuales conecta con otras células nerviosas. Su descubrimiento permitió al anatomista Wilhelm von Waldeyer-Haltz plantear la hipótesis, más tarde demostrada por el histólogo español Santiago Ramón y Cajal, de que las células nerviosas son las unidades estructurales básicas del sistema nervioso.
Regresó a la Universidad de Pavía en 1876 y continuó su detenido examen de las células nerviosas, obteniendo pruebas de la existencia de una red irregular de fibras delgadas, cavidades y gránulos (denomina aparato de Golgi) que desempeña un papel esencial en operaciones celulares tan diversas como la construcción de la membrana, el almacenamiento de lípidos y proteínas, o el transporte de partículas a lo largo de la membrana celular.
Entre 1885 y 1893 se dedicó al estudio del paludismo y obtuvo, entre otros, resultados tan importantes como la distinción entre el paludismo terciano y cuartano en cuanto patologías provocadas por dos especies diferentes de un mismo protozoo parásito denominado Plasmodium, y la identificación del mencionado acceso febril como originado por la liberación por parte de dicho organismo de esporas en el flujo sanguíneo ; así demostró que cada ataque febril de malaria corresponde a una de las fases del ciclo evolutivo del parásito.
Doctor honoris causa por las universidades de Cambridge y París , y creador del Instituto Experimental de Histología y Patología, en 1906 recibió el premio Nobel de Fisiología y Medicina que compartió con don Santiago Ramón y Cajal. Falleció en Pavía. Algunas de las obras que publicó son Estudios sobre la fina estructura de los órganos centrales del sistema nervioso, Estudios histológicos de la médula espinal, Estructura de las fibras nerviosas, e Investigaciones sobre la anatomía microscópica del cerebelo humano.
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