Golgi inició su carrera científica en 1869, publicando un artículo en el que sugería que algunas enfermedades mentales podían ser debidas a lesiones orgánicas. Convencido de que las teorías debían ser confirmadas con pruebas experimentales, Golgi abandonó la psiquiatría concentrándose en el estudio de la estructura y función del sistema nervioso. Como los procedimientos de tinción de células a base de hematoxilina que habían sido introducidos a mediados del siglo XIX eran inadecuados, Golgi desarrolló sus propias técnicas de tinciòn. En 1873 publicó un breve artículo en la Gazeta Medica "Sobre la estructura de la materia gris del cerebro" en el que describía diversos procedimientos de tinción con nitrato de plata y bicromato potásico. Con este procedimiento revolucionario, conocido como tinción de Golgi y todavía empleado hoy día, Golgi tuvo por primera vez una clara visualización del cuerpo de las células nerviosas: células de hipocampo, células de Purkinje del cerebelo mostrando sus terminaciones dendríticas, estructura del bulbo olfactorio, etc. En 1881 Golgi fue nombrado profesor de Patología General en la Universidad de Pavía. En su laboratorio, Adelchi Negri (1876-1912) descubrió las inclusiones intraneuronales (los cuerpos de Negri) que representan una característica específica de la rabia y que facilita el diagnóstico de esta enfermedad. Emilio Veratti (1872-1967), describió por primera vez el retículo sarcoplámicos en las fibras de músculo esquelético
En 1906 Golgi recibió el Premio Nobel de Medicina conjuntamente con Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) por sus estudios sobre la estructura del sistema nervioso. Altamente respetado, Golgi fue decano de la Facultad de Medicina de la Universidad de Pavía, y rector de esta misma Universidad durante varios años.
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