然而，限于技术水平，早期的大脑解剖研究都很粗糙。直到19世纪下半叶，大脑的研究才算有了突破性的进展，这得益于一种染色方法。

1873年，意大利神经解剖学家卡米洛·高尔基(Camillo Golgi)发明了一种细胞染色法，并以他的名字命名这种方法。

浸染后的一些细胞因为颜色加深而在显微镜下浮现出了清晰的轮廓，不仅能够显示神经细胞的主要突起，也能很好地显示大部分精细分支。于是，高尔基在他发表的文章中表示，神经组织是一些交联在一起的网。1887年，西班牙神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔(Santiago Ramóny Cajal)改进了高尔基的染色法，在对小鸡的小脑进行观察后，他认为神经组织是由一个个独立的细胞组成的。由于观点不一，高尔基和卡哈尔之间还展开了一场争论。不过，1906年的诺贝尔生理学奖却破例同时颁给了持正反两方观点的高尔基和卡哈尔，他们共同对神经系统结构的研究做出了贡献。

到了20世纪，电子技术的进步促进了对神经细胞电性质的研究。神经电化学研究也屡屡获得诺贝尔生理学奖，包括1942年英国神经生理学家查尔斯·谢灵顿(Charles Sherrington)等人对于脑从睡眠中觉醒的描述，1963年英国生理学家艾伦·霍奇金(Alan Hodgkin)和安德鲁·赫胥黎(Andrew Huxley)对神经动作电位的研究，以及1970年英国生物物理学家伯纳德·卡茨(Bernard Katz)等人对突触电化学性质的探索。

最终，科学家综合解剖学观测、脑部成像技术和电性质研究的结果，终于建立起较为完善的大脑解剖结构。