关于无脊椎动物神经系统的研究
这种沮丧并没有持续多长时间。尽管南森年仅21岁，进人大学还未满一年，但他仍然被任命为卑尔根博物馆的馆长。卑尔根博物馆位于挪威西海岸，隶属于科学研究学会，尽管他从未公开表示过感激，但事实上对南森来说，这里是进行深入研究的理想之所。他全身心地投入了工作，由于卑尔根很少下雪，所以他特别怀念以前滑雪的日子。他是如此强烈地思念着家乡，因此在第一个圣诞节到来的时候，他冒着大风雪，爬过了高高的山脉，滑着雪回到了家。
南森不断努力T作的精神，给导师丹尼尔逊博士（Dr Danielssen）留下了深刻的印象。卑尔根周围有很多水域，因此他很容易就能得到一些活的海洋生物标本。父亲送给他一个油浸镜头的显微镜，用这个新显微镜，他对这些标本进行了仔细的观测和研究，并对不同的标本进行分类。此外，他还有机会和其他的海洋科学家相互联系并进行合作。在和德国动物学家威利·库肯泰尔（Willy Kukenthal）会面之后，南森对海洋无脊椎动物的神经系统的兴趣被大大激发了出来。他开始自学所有关于神经细胞和细胞理论的专业知识。细胞理论认为细胞是生命的基础单位，并且所有的生物体都是由细胞构成。在整个19世纪，这种思想萌芽，成为一个理论并不断地向前发展。这一理论引起了南森的极大兴趣，因为如果所有的生命体都存在遗传关系的话，那么，研究无脊椎动物的神经系统对于人类的神经生理学的研究无疑具有很大帮助。于是他将研究重心锁定了寄居于海星吸口虫的神经系统。南森一丝不苟地进行观测和分析，并发表了第一份研究报告，为此卑尔根博物馆授予r他约阿希姆·弗利勒金牌（Joachim Friele Cold Medal）。
然而，这个在野外度过童年的男人不甘于这种平静的生活。1885年3月，他试图辞去博物馆的职务。但丹尼尔逊只批准他1年的假期，并且预支了他工资作为航行的经费。那年夏天，南森游历了卑尔根北部的一个群岛，那里有许多非常有趣的海洋生物。他试图解决神经之间如何相互联系的问题。当时几乎所有主流的学院专家都认为神经系统的细胞之间是连续不断的和相互连接的。然而，日复一日显微镜下的观察使南森确信这种直接的连接并不存在。
接下来的冬天，他开始了他的第一次欧洲大陆之行。在帕维亚，他访问了当时知名的细胞生物学家卡米洛·高尔基（Camillo Golgi），并学会了一门特殊技术：用硝酸银将生物组织的薄片染色。南森因此成为第一个将此技术应用于无脊椎生物神经系统研究的科学家。虽然这次访问并未公开，但南森的个人魅力和对知识的渴望深深地打动了高尔基，他传授给南森一套方法，这套方法使南森更加确信神经细胞的相互联系处于一种开阔区域，现在命名为“突触”（Synapse）。在旅行期间，南森以他的魅力获得了在那不勒斯一个海洋生物站工作的机会。在那里工作期间以及回到卑尔根以后.他把从高尔基那里学到的技术应用于实验中，当看到被染色的神经组织薄片时，他被那错综复杂的结构震惊了。
南森不断推进他的研究，并发表了许多报告，这些报告在今天已经成为公认的真理。例如，他认为神经单位具有细胞膜（今天的研究表明，所有的细胞都如此）。另外，他认为神经纤维在进入脊柱根部之后呈“T”形扩展。因而他成为第一个从理论上对反射弧（一些简单的反射动作如膝部痉挛的反射路线）作出解释的科学家。
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