布呂克在弗洛伊德面前提出的謙遜問題，打開了一個令人振奮的廣闊的研究領域。在一種原始圓口綱魚屬動物七鰓鰻身上，賴斯納發現了一種奇特的大細胞。這些細胞的性質及其與脊髓系統的關聯，引發了一系列失敗的研究。布呂克希望看到這些細胞的組織學說明。得益於準備技術的提升，弗洛伊德明確提出，賴斯納細胞「不是別的，只是脊髓神經節細胞而已，在低等脊椎動物身上，胚胎神經管向外圍的遷移尚未完成而殘留在脊髓之中。這些分散的細胞標記了脊神經節細胞在其進化過程中所形成的路徑」。對賴斯納細胞問題的解決是精確觀察和遺傳學解釋的勝利——正是數千個這樣的小成就，最終在科學家當中確立了生物進化一致性的信念。
但真正的新發現在於，低等動物神經系統細胞與高等動物的呈現出連續性，因而先前人們所普遍接受的二者之間的鮮明區分便不復存在了。弗洛伊德在七鰓鰻身上有了重大發現：「魚類的脊髓神經節細胞早已被認為是雙極性的，而高等脊椎動物是單極性的。」弗洛伊德將低等和高等動物之間的鴻溝填平了。「七鰓鰻的神經細胞顯示了從單向過渡到雙極的轉換全部過程，包括帶有分支神經的雙極性。」弗洛伊德的這篇論文不論是字面意義還是內在涵義上，毫無疑問都超出了初學者水平：任何一位動物學家都會以做出這樣的發現為榮。布呂克在1878年7月18日的學術會議上展示了這項成果，在8月份該論文以長達86頁的篇幅刊登在《子彈頭》雜誌上。
弗洛伊德在1879年和1881年夏天選擇進行進一步研究，目標仍然是這個宏觀問題。而這一次的研究對象是小龍蝦的神經細胞。他用顯微鏡檢查活體組織，使用的是哈納克8號鏡頭——這項技術當時還相當不成熟，鮮為人知——而後他得出了明確的結論，神經纖維的軸突無一例外都是纖維結構的。他是第一個證明這一基本特徵的人。他認為神經節由兩種物質構成，其中一種是網狀的，同時也是神經突起的起點。在這些早期的研究論文中，弗洛伊德嚴格地把自己限制在解剖學的觀點內，但是他明確表示，他的調查是為了深入了解神經行為的奧秘。只有一次，大約是在1882年或1883年的一次關於「神經系統元素的結構」的講座上，他總結了自己的工作。
並用一段話探索了組織學領域以外的疆域：「如果我們假設神經纖維的意義是孤立的傳導通路，我們則應該說那些神經分散開的通路將在神經細胞當中匯合，那麼神經細胞就成了所有與之在解剖學意義上相聯繫的神經纖維的『起點』。如果我要收集支持這一假設有效性的事實，那就要違背我對本文的限制了：我不知道現有的材料是否足以解決問題，而這對生理學又很重要。如果這個假設能夠成立，它將使我們在神經元素生理學上走得更遠。我們可以想像，某種強度的刺激可能會破壞纖維的隔離，從而使神經作為一個單元傳導刺激，等等。」
有關神經細胞和過程的單一概念——未來神經元理論的本質——似乎是佛洛伊德獨立於學院老師們的個人概念。當然，在他那寥寥幾句表述謹慎而思想大膽的話中並沒有真正說出什麼。但有兩個意見似乎比較到位。包含了上述觀點的演講，是在他進行研究的4到5年後才被提出，由此可見這段反思的時間相當漫長。其後經過這麼長時間的思考，人們會認為，弗洛伊德後來經常表現出來的那一點自由和大膽的想像力會使他有一小步的前進，因為他在重要的神經元理論的邊緣上搖擺不定，而這個理論恰是現代神經病學的基礎。在習得「規範」的努力過程中他還尚未意識到，在最初的科學工作中，想像力同樣重要。實際上這些珍貴的句子當時沒有被注意到，因此在神經元理論的先驅裡並沒有弗洛伊德的名字。
這樣的先驅有很多——主要如威廉，他對神經細胞發生的胚胎學研究使其留名史冊；奧古斯特·福雷爾對神經纖維的部分損傷後沃勒變性的觀察；拉蒙·Y.卡加勒及其通過高爾基銀浸滲的漂亮製劑。神經元理論的最終確立，通常認為始於瓦耳代爾1891年的綜合性專著，在這本書中首次使用了「神經元」的概念。在弗洛伊德的早年生活中，這並不是唯一一次由於不敢大膽為自己的想法尋求符合邏輯的結論——其實已經不遠了——而險些錯過世界性的聲譽。但是，他展示了富於開創性的科學家的另一個特徵。科學的進步通常源於一些新方法或新工具的發明，從而揭開一重新的事實。例如，在望遠鏡發明之前，天文學就已經走向一個死胡同，而後得益於新發明又向前邁進了一步。而當弗洛伊德進入研究所後，他在1877年推出的新發明可以說大大促進了組織學研究的發展，使其成為可能。這是對賴克特公式的改良，一種硝酸和甘油的混合物，用於準備等待顯微鏡檢查的神經組織。
他在研究七鰓鰻的脊髓細胞時率先使用了它。幾年後，弗洛伊德完成了一項更重要的技術發明——用氯化金染色神經組織的方法——但這兩種方法在維也納研究所之外都沒有用過。他肯定是一位技術專家，因為他在研究小龍蝦的神經組織時，談到了他作為活的有機體體內物質的特殊研究，一項十分細緻的操作；這是他從史翠克那裡學到的方法。順便提一提，他為自己的七鰓鰻出版物畫插圖，第一份出版物中有1幅，第二份中有4幅。顯然，弗洛伊德早就掌握了這樣一個事實：知識的進步需要新方法或對原有方法進行改進。於是新的事實出現了，接踵而至的是新舊知識理論體系的重組。這個理論可能會指向推測，在現有的觀察手段之外，對問題和答案進行概覽和猜測。同一個人在這些發展的所有階段都一樣成功，這是極為罕見的。弗洛伊德在精神分析上所做的工作卻是這種罕見案例的證明。
他發明了這個工具並憑藉它發現了大量新的科學事實，提供了組織理論，並試圖在已知之外進行更激動人心的思考。然而我們必須注意，弗洛伊德神經學研究的一個顯著特點是他對解剖學的堅守。顯微鏡是他唯一的工具。生理學對他來說似乎意味著組織學，而不是實驗：是靜態的，而非動態的。在弗洛伊德活躍的頭腦中有這種想法，乍一看似乎很奇怪，但通過反思我們發現，這與他天性中的某種顯著特點高度呼應。當他剛剛起步時，他首先向布呂克教授要一個課題來研究，布呂克給他的就是一個組織學的課題。他將更高級的實驗活動留給三位教授、三位「大人」去做，這種他後來始終保留著的降格做法，是否可以用某種順從和自卑感來解釋呢？可能如此，但從他的表現上，人們會感覺他的性格中有某種更深刻更具個性的東西。這種眼高手低的情況有兩面性；對有的人來說很有吸引力，對有的人來說則很討厭。兩種情況都存在。
前一種情況我們接下來還會說，後一種情況則他在1878年寫給朋友威廉·科諾馬舍的一封信中明白無誤地反映了出來：「我已經搬到另一個實驗室，為適合自己的職業做準備——要麼殘害動物要麼折磨人類——現在我越來越傾向於贊成前者。」他很難讓自己變得殘酷無情，他甚至極其不願意幹涉別人，也不願試圖影響他人。後來當他開始治療大量神經病患者時，他很快就拋棄了電擊療法——這種治療方法在當時是約定俗成的，而最近它又以其他形式重出江湖了。不久他還放棄了使用催眠術，他認為這是「一種粗糙的幹擾的方法」。他選擇了看和聽，堅信如果自己能感知到神經症的結構，便會真正理解並對引發這種症狀的驅力擁有控制力。皮埃爾·雅奈總是被錯誤地認為是弗洛伊德的先驅，他在19世紀80年代採取了替代療法。他做出了一些頗為生動的描述性結論，卻沒有把這種動力帶入工作中。最終取得成功的不是積極療法，而是消極療法。