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有的小房间没有窗户，漆黑一团。这些小房间被用作学生的化学、电生理学和光学实验室。整个研究室没有供水系统，也没有煤气和电。要用水的话，必须到庭院里的一口井去打水；在院子里还有一个供实验用的动物的小木舍。然而，就是这么一个简陋的研究室吸引了一些外国参观者和大学生。
虽然布吕克倾向于鼓励学生选择自己的研究题目，但他也为那些较为胆小或不知所措的初学者提出研究题目。对于弗洛伊德，布吕克则为他的特殊才能专门地安排好了一个研究题目——神经细胞的组织学。
具体说来，弗洛伊德要研究神经元的内在结构，探讨高等动物的神经系统的构成细胞与低等动物的神经细胞的差别。
这个问题的解答不仅对生理学本身有重大意义，而且具有重大的哲学意义。高低等动物的意识的差别是不是仅仅归结为其复杂性程度的差别？人的意识同某些软体动物类的“意识”之间是不是存在根本的差别？这种差别是不是仅仅归结为两者的神经元的数目或这些神经细胞分布网的复杂性程度的差别？在当时的历史条件下，科学家们寻求这些答案，是为了在解答“人的本质”这个根本问题上取得决定性的成果。这个问题的解决将直接影响到“上帝是否存在”这样一个问题。
在弗洛伊德以前，布吕克已经对这个重大的问题进行了研究。在八目鳝的脊髓（八目鳝是属于原始的圆口类脊椎动物）中，莱斯纳曾经发现一种特殊类型的大细胞。关于这种细胞的本质及其与脊髓的关系，多年来一直没有在生理学研究中取得突破性的成果。布吕克急切地希望能早日弄清这些神经细胞的组织结构及其生理机能。所以，特别选中了弗洛伊德专门去研究这个难题。弗洛伊德在研究中改进了观察的技术，终于发现了问题的症结。他认为莱斯纳所发现的那个细胞“无非就是脊髓神经节。在八目鳝那样一类低等脊椎动物里，由于胚芽时期的神经管没有完全转移到外周神经系统中，所以，这种神经节仍然留在脊髓里。这些扩散的细胞标志着脊髓神经节始终贯穿于神经细胞的整个进化过程中。”这一解答同其他许多成功的解答一样，组成了一系列有力的证据，证实了整个有机体——从最低等的动物开始到人类为止是一个不断进化的系列。这一成果对于推倒“上帝创造人”的神学结论是很有价值的。
弗洛伊德的结论还有更深刻、更具体的内容。他认为，低等动物与高等动物的神经系统是一个有连续性的系列。他还说：“长期以来一直认为鱼类的脊髓神经节是双极的（具有两个突起部），而高等的脊椎动物的脊髓神经节是单极的。”现在，弗洛伊德通过观察，成功地推翻了这个错误的结论。他认为，“八目鳝的神经细胞表明从单极到双极（包括“T”形鳃动物的双极细胞在内）细胞的整个过渡过程”。
弗洛伊德的这篇论文不论就其内容、表达方法，还是就其意义，都丝毫没有引起任何人的怀疑，这对一个初学者——一个未毕业的大学生来说是一个巨大的成功。这一成功得到了许多动物学家的赞赏。一八七八年七月十八日，布吕克让弗洛伊德在奥地利科学院发表他的实验报告，接着，在八月份，这篇论文发表在生理学学报上。这篇论文长达八十六页。
接着，在一八七九年到一八八一年，弗洛伊德通过自己的选择研究了第二个题目——喇蛄的神经细胞。在研究中，他采用了当时最先进的技术——用显微镜直接观察活组织。他得出结论说：“神经纤维的轴柱体的结构也是无例外地由原纤维构成的。”在神经生理学史上，弗洛伊德是第一个论证神经纤维的这一特点的人。
接着，在一八八二年，弗洛伊德在一次学术报告中又发表了他的重大的研究成果。他的报告的题目是《神经系统的基本结构》。他的这篇论文论证了神经元是神经系统的基本因素，也是神经纤维的基本结构。
弗洛伊德的成果不仅是他认真观察、分析的结果，也是他不断地改进科学研究的技术和方法的产物。一八七七年，弗洛伊德刚刚进入布吕克研究室不久，就着手改进实验技术和方法。他并不把原有的技术和传统的方法看作是神圣不可侵犯的框框，也不把它们看作是“天然合理”的东西。在他自己没有弄清以前，他要怀疑这些传统方法的“合理性”。即使是在事实证明了这些手段的有效性以后，他也不满足于已有的水平，而是给自己提出更高的要求，精益求精，务求不断进步。
弗洛伊德第一次动手改进传统实验技术，是从显微镜的操纵方法开始的。在弗洛伊德改进技术以前，是用莱斯尔德制定的显微镜观察方法。依据这个方法，在观察神经组织时，必须先用硝酸和甘油的混合物来处置。弗洛伊德在研究八目鳝的脊髓神经细胞时，就是采用了这个方法。
过了几年，他创造了新的方法。他用金的氯化物给神经组织染色。这个方法是弗洛伊德在学习斯特里克的方法的基础上改进出来的。
除此以外，弗洛伊德在科学研究中也逐渐地走出单纯观察的狭窄天地。他认识到：科学研究必须把观察同理性思维结合起来。不仅要用感性的直观，而且要进行猜测、想象、联想等等。
值得指出的是，弗洛伊德在神经系统方面的研究成果是同他的细致的解剖工作相联系的。他的唯一的工具是显微镜。在他看来，生理学就是组织学，而不是统计或动力学。由此看来，虽然他力图把感性与理性结合起来，但他还是注重于观察。
一八七九年，弗洛伊德被应征入伍。当时，奥匈帝国正同沙皇俄国争夺巴尔干半岛。
德奥两国为了对抗俄国在巴尔干的扩张，于一八七九年十月缔结了秘密军事同盟条约。当时的德奥两国实际上是一个大军营。全国大中小学都实行军事训练。任何适龄青年，不管作什么工作，也不管是否在校读书，都要参军。弗洛伊德就是在这样的条件下服兵役的。根据当时的规定，参军的医学院学生只能留在国内服役；如果要派往国外，也只能在医院里服务，这种军事生活显然是很无聊的。在一八八零年五月六日，弗洛伊德二十四岁生日那天，在军队里被关禁闭，因为他未经请假外出。当时惩罚他的上司，不是别人，恰恰是他一向仰慕的波德拉兹斯基将军。
就在弗洛伊德从军期间，由于有充裕的时间，他第一次拿起笔进行翻译工作。他首先把英国哲学家约翰·斯杜亚特·穆勒的著作译成德文。
弗洛伊德有学习、掌握和使用语言的天才。他尤其喜爱英语。再加上弗洛伊德同穆勒之间不存在哲学观点上的分歧，所以，这一次翻译工作是非常顺利的和非常得心应手的。弗洛伊德先把穆勒的五卷本著作的第一篇译成德文。他不仅把原文的意思译出，而且还译出风格，翻译工作进行得很快。
这次翻译对他来说，纯粹是为了消磨时间，同时也是为了练习自己的语言表达能力。此外，他还可以借此机会赚到一些钱。
他所翻译的穆勒的五篇著作中，有三篇是涉及社会问题的——劳工问题、妇女解放问题及社会主义问题。穆勒在这些著作的前言中声明，这些著作的大部分是他的妻于写的。第四篇著作是穆勒论述古希腊唯心主义哲学家柏拉图的。这次翻译，也给弗洛伊德一个机会，进一步更深入地学习柏拉图的哲学。显然，柏拉图的脱离实际的理念论在一定程度上腐蚀了弗洛伊德的实际精神。后来，在一九三三年的一篇著作中，弗洛伊德还提到这次翻译使他接触到了柏拉图哲学。他特别提到，柏拉图关于“回想”的学说给了他深刻的印象。
按照柏拉图的观点，“可感觉的实物世界”，即自然界，不过是由不变的、永恒不动的精神实体，即“理念”世界中派生出来的。只有理念世界才是真实的存在。感性存生，是“存在”（即“理念”）和“非存在”（即物质）的混合物，是超感觉的理念原型印在理念的被动的“接受者”——物质或“非存在”上面的“暗淡痕迹”，换句话说，感性实物不过是理念的“影子”。
按照这个理论，人们的认识对象并非真实的世界，而是神秘的彼岸世界——理念世界的影子。因此，人要想认识真理，就要抛弃一切物质的、感性的东西，就得闭目塞听，沉醉于自我反省。努力去“回想”’