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스페인의 조직학자인 산티아고 라몬 이 카할과 함께 신경계의 미세구조를 연구하여 1906년 노벨 생리학·의학상을 받았다.

이탈리아의 아비아테그라소에 있는 불치환자를 위한 수용소에서 내과의사로 일하며(1872~75) 그가 접할 수 있는 기본적인 시설만으로 1873년 신경조직을 염색하는 질산은(窒酸銀) 방식을 고안했는데, 이 방식은 신경에 관한 지속적인 연구에 꼭 필요한 중요한 방법이 되었다.

이 염색법을 이용하여 짧고 가지친 형태로 뻗어나간 수상돌기(樹狀突起)를 많이 가지고 있는 여러 다른 신경세포들을 연결시켜주는 신경세포의 한 종류인 골지 세포를 밝혀냈다. 골지 세포의 발견으로 독일 해부학자 빌헬름 폰 발다이어 하르츠는 신경세포가 신경계의 기본구조 단위라는 가설을 세웠고, 라몬 이 카할은 그것을 입증하여 현대 신경학 발달의 전환점을 이루었다.

파비아대학에 온(1876) 뒤 골지는 지각신경섬유가 하나의 힘줄 안에 둘러싸인 많은 분지를 이룬 형태로 끝난다는 점을 기술하였다(지금은 골지건 방추체 또는 골지건 기관이라 한다). 또한 그는 1883년 불규칙한 원섬유망(原纖維網)과 소포(vesicle)와 작은 입자로 이루어진, 오늘날 우리가 골지체라고 부르는 것이 신경세포에 있다는 것을 발견했다. 세균을 제외한 모든 세포에서 볼 수 있는 골지체는 단백질과 지질을 저장하고 막을 형성하며, 세포막을 통하여 입자를 나르는 데 중요한 역할을 하는 것 같다.

1885~93년 말라리아로 관심을 돌린 그는 2가지 간헐적인 말라리아열(3일마다 일어나는 3일열, 4일마다 일어나는 4일열)을 일으키는 것이 기생성 원생동물인 플라스모디움속(Plasmodium)의 서로 다른 종(種)들이며, 주기적인 열발작은 적혈구에서 원생동물의 포자(胞子)가 나올 때 일어난다는 것을 발견했다.