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Postuló que el cerebro era el órgano del "raciocinio" o "director del espíritu", mientras que el corazón se debía considerar el órgano de los sentimientos.
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Consideraba que el principio vital era el pneuma, la idea de que estos fluidos radicaban en el cerebro como sustrato material de los fenómenos psíquicos, una especie de espíritu animal.
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Emprendió de manera sistemática la disección del cuerpo humano, persistió en la idea de que los procesos psicológicos eran los espíritus animales que fluyen por los nervios.
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A él le debemos el método experimental, máximo criterio de verdad aplicable a la investigación científica
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Consideraba al cuerpo como una máquina, era capaz de explicar fenómenos tales como el acto del parpadeo.Pensaba que los músculos se movían en virtud de infusiones de espíritus animales.
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Aporto una de las primeras pruebas que demostraron el papel del sistema nervioso (SN) en la conducta. Al experimentar concluyó que la acción mecánica del nervioque contracturaba el musculo
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Considerado fundador de la anatomía nerviosa moderna, experimentaba con diferentes cualidades sensoriales identificando también las vías motoras y sensoriales del cordón espinal (Ley de Magendie-Bell).
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Experimentó con animales, descubriendo que las raíces nerviosas dorsales del cordón espinal llevaban información de la periferia a éste, mientras que las raíces ventrales llevaban impulsos motores a los músculos.
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Elaboró una teoría sobre la percepción de los colores en la retina, aportó sobre las sensaciones periféricas y energía nerviosa. Sus resultados son identificados como la Ley de la Energía Nerviosa Específica.
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Midió la velocidad de la conducción nerviosa con un experimento extraordinariamente simple. Estimulando un nervio en diferentes puntos, observó cuánto tiempo tardaba el músculo en reaccionar.
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Empleando técnicas de tinción y fijación mejoradas, pudo observar e identificar finas arborizaciones que se extendían desde el cuerpo de la célula.
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Fue el mejor exponente de la teoría reticular. Postulaba que las neuronas deberían anastomosarse para que el sistema nervioso pudiera funcionar, formando una red continua o retículo.
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Concibió la segunda teoría, que se denominó "neuronal" y consideraba que las neuronas funcionaban como unidades independientes y no se fusionaban para formar un todo continuo o retículo.
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Introdujo el término "sinapsis" para referirse a las estructuras de comunicación de las neuronas. Descubrió que la conducción a través de las fibras nerviosas no era el único modo de transmisión
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Descubrió y aisló la noradrenalina (1946, también denominada norepinefrina), el primer neurotransmisor identificado. Previamente había descubierto y aislado la primera prostaglandina (1935), lo que también le hubiese hecho merecedor de un Premio Nobel
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En 1914 descubrieron la existencia de los neurotransmisores como sustancias que portan mensajes químicos entre las células.
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Realizó importantes contribuciones a la fisiología de los órganos de los sentidos, esclareciendo la naturaleza del impulso nervioso y las bases físicas de las sensaciones.
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Construyó el primer microscopio electrónico. Éste tenía capacidad para percibir estructuras un millón de veces menores que un milímetro y permitió la observación de la unión sináptica.
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El término "electroencefalograma" fue introducido para nombrar el registro de las variaciones de potenciales recogidas del encéfalo y es una de las técnicas más empleadas en el diagnóstico de alteraciones cerebrales.
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Las "facultades mentales" estaban localizadas en tres ventrículos cerebrales. Éste es el primer intento de ver al cerebro como sustrato directo de las capacidades psicológicas básicas.
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Descubrió en el cerebro de monos un tipo de neuronas que se activaban cuando el individuo realizaba cierta acción y también cuando otro individuo realizaba dicha acción, estas fueron denominadas neuronas espejo, ubicadas en la corteza premotora, en el área suplementaria premotora y la corteza primaria somatosensorial, siendo la base de los procesos de empatía, imitación y comunicación. En 2008 publicó el libro Espejos en el cerebro: cómo nuestras mentes comparten acciones y emociones
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Afirma que el término "Neurociencias", hace referencia a campos científicos y áreas de conocimientos diversos, que bajo distintas perspectivas de enfoque, abordan los niveles de conocimiento vigentes sobre el sistema nervioso.