布吕克在弗洛伊德面前提出的谦逊问题，打开了一个令人振奋的广阔的研究领域。在一种原始圆口纲鱼属动物七鳃鳗身上，赖斯纳发现了一种奇特的大细胞。这些细胞的性质及其与脊髓系统的关联，引发了一系列失败的研究。布吕克希望看到这些细胞的组织学说明。得益于准备技术的提升，弗洛伊德明确提出，赖斯纳细胞“不是别的，只是脊髓神经节细胞而已，在低等脊椎动物身上，胚胎神经管向外围的迁移尚未完成而残留在脊髓之中。这些分散的细胞标记了脊神经节细胞在其进化过程中所形成的路径”。对赖斯纳细胞问题的解决是精确观察和遗传学解释的胜利——正是数千个这样的小成就，最终在科学家当中确立了生物进化一致性的信念。
但真正的新发现在于，低等动物神经系统细胞与高等动物的呈现出连续性，因而先前人们所普遍接受的二者之间的鲜明区分便不复存在了。弗洛伊德在七鳃鳗身上有了重大发现：“鱼类的脊髓神经节细胞早已被认为是双极性的，而高等脊椎动物是单极性的。”弗洛伊德将低等和高等动物之间的鸿沟填平了。“七鳃鳗的神经细胞显示了从单向过渡到双极的转换全部过程，包括带有分支神经的双极性。”弗洛伊德的这篇论文不论是字面意义还是内在涵义上，毫无疑问都超出了初学者水平：任何一位动物学家都会以做出这样的发现为荣。布吕克在年7月18日的学术会议上展示了这项成果，在8月份该论文以长达86页的篇幅刊登在《子弹头》杂志上。
弗洛伊德在年和年夏天选择进行进一步研究，目标仍然是这个宏观问题。而这一次的研究对象是小龙虾的神经细胞。他用显微镜检查活体组织，使用的是哈纳克8号镜头——这项技术当时还相当不成熟，鲜为人知——而后他得出了明确的结论，神经纤维的轴突无一例外都是纤维结构的。他是第一个证明这一基本特征的人。他认为神经节由两种物质构成，其中一种是网状的，同时也是神经突起的起点。在这些早期的研究论文中，弗洛伊德严格地把自己限制在解剖学的观点内，但是他明确表示，他的调查是为了深入了解神经行为的奥秘。只有一次，大约是在年或年的一次关于“神经系统元素的结构”的讲座上，他总结了自己的工作。
并用一段话探索了组织学领域以外的疆域：“如果我们假设神经纤维的意义是孤立的传导通路，我们则应该说那些神经分散开的通路将在神经细胞当中汇合，那么神经细胞就成了所有与之在解剖学意义上相联系的神经纤维的‘起点’。如果我要收集支持这一假设有效性的事实，那就要违背我对本文的限制了：我不知道现有的材料是否足以解决问题，而这对生理学又很重要。如果这个假设能够成立，它将使我们在神经元素生理学上走得更远。我们可以想象，某种强度的刺激可能会破坏纤维的隔离，从而使神经作为一个单元传导刺激，等等。”
有关神经细胞和过程的单一概念——未来神经元理论的本质——似乎是佛洛伊德独立于学院老师们的个人概念。当然，在他那寥寥几句表述谨慎而思想大胆的话中并没有真正说出什么。但有两个意见似乎比较到位。包含了上述观点的演讲，是在他进行研究的4到5年后才被提出，由此可见这段反思的时间相当漫长。其后经过这么长时间的思考，人们会认为，弗洛伊德后来经常表现出来的那一点自由和大胆的想象力会使他有一小步的前进，因为他在重要的神经元理论的边缘上摇摆不定，而这个理论恰是现代神经病学的基础。在习得“规范”的努力过程中他还尚未意识到，在最初的科学工作中，想象力同样重要。实际上这些珍贵的句子当时没有被注意到，因此在神经元理论的先驱里并没有弗洛伊德的名字。
这样的先驱有很多——主要如威廉，他对神经细胞发生的胚胎学研究使其留名史册；奥古斯特·福雷尔对神经纤维的部分损伤后沃勒变性的观察；拉蒙·Y.卡加勒及其通过高尔基银浸渗的漂亮制剂。神经元理论的最终确立，通常认为始于瓦耳代尔年的综合性专著，在这本书中首次使用了“神经元”的概念。在弗洛伊德的早年生活中，这并不是唯一一次由于不敢大胆为自己的想法寻求符合逻辑的结论——其实已经不远了——而险些错过世界性的声誉。但是，他展示了富于开创性的科学家的另一个特征。科学的进步通常源于一些新方法或新工具的发明，从而揭开一重新的事实。例如，在望远镜发明之前，天文学就已经走向一个死胡同，而后得益于新发明又向前迈进了一步。而当弗洛伊德进入研究所后，他在年推出的新发明可以说大大促进了组织学研究的发展，使其成为可能。这是对赖克特公式的改良，一种硝酸和甘油的混合物，用于准备等待显微镜检查的神经组织。
他在研究七鳃鳗的脊髓细胞时率先使用了它。几年后，弗洛伊德完成了一项更重要的技术发明——用氯化金染色神经组织的方法——但这两种方法在维也纳研究所之外都没有用过。他肯定是一位技术专家，因为他在研究小龙虾的神经组织时，谈到了他作为活的有机体体内物质的特殊研究，一项十分细致的操作；这是他从史翠克那里学到的方法。顺便提一提，他为自己的七鳃鳗出版物画插图，第一份出版物中有1幅，第二份中有4幅。显然，弗洛伊德早就掌握了这样一个事实：知识的进步需要新方法或对原有方法进行改进。于是新的事实出现了，接踵而至的是新旧知识理论体系的重组。这个理论可能会指向推测，在现有的观察手段之外，对问题和答案进行概览和猜测。同一个人在这些发展的所有阶段都一样成功，这是极为罕见的。弗洛伊德在精神分析上所做的工作却是这种罕见案例的证明。
他发明了这个工具并凭借它发现了大量新的科学事实，提供了组织理论，并试图在已知之外进行更激动人心的思考。然而我们必须注意，弗洛伊德神经学研究的一个显著特点是他对解剖学的坚守。显微镜是他唯一的工具。生理学对他来说似乎意味着组织学，而不是实验：是静态的，而非动态的。在弗洛伊德活跃的头脑中有这种想法，乍一看似乎很奇怪，但通过反思我们发现，这与他天性中的某种显著特点高度呼应。当他刚刚起步时，他首先向布吕克教授要一个课题来研究，布吕克给他的就是一个组织学的课题。他将更高级的实验活动留给三位教授、三位“大人”去做，这种他后来始终保留着的降格做法，是否可以用某种顺从和自卑感来解释呢？可能如此，但从他的表现上，人们会感觉他的性格中有某种更深刻更具个性的东西。这种眼高手低的情况有两面性；对有的人来说很有吸引力，对有的人来说则很讨厌。两种情况都存在。
前一种情况我们接下来还会说，后一种情况则他在年写给朋友威廉·科诺马舍的一封信中明白无误地反映了出来：“我已经搬到另一个实验室，为适合自己的职业做准备——要么残害动物要么折磨人类——现在我越来越倾向于赞成前者。”他很难让自己变得残酷无情，他甚至极其不愿意干涉别人，也不愿试图影响他人。后来当他开始治疗大量神经病患者时，他很快就抛弃了电击疗法——这种治疗方法在当时是约定俗成的，而最近它又以其他形式重出江湖了。不久他还放弃了使用催眠术，他认为这是“一种粗糙的干扰的方法”。他选择了看和听，坚信如果自己能感知到神经症的结构，便会真正理解并对引发这种症状的驱力拥有控制力。皮埃尔·雅奈总是被错误地认为是弗洛伊德的先驱，他在19世纪80年代采取了替代疗法。他做出了一些颇为生动的描述性结论，却没有把这种动力带入工作中。最终取得成功的不是积极疗法，而是消极疗法。