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在科学界树立威信需要付出诸多努力，在一个年轻的、未经考验的领域尤其如此。配第开始工作约一年后的某一天，一口棺材抵达了他的工作室，里面是一个名为安妮·格林（Anne Greene）的绞刑犯的新鲜尸体。这一刻，配第和威利斯受到了幸运的垂青。格林曾被强奸，后来因为杀死她的新生儿被判处死刑。她被勒住脖子悬挂了整整半个小时，朋友们在格林被挂上绞索时紧紧地拽住她的身体，用自身体重帮她缩短痛苦的时间，这在当时是常有的事。第二天，格林尸体被送检，配第的工作室很快挤满了观众。
有配第坐镇，尸体解剖俨然成为一项颇具观赏性的盛事。但是，在他入场之前，有人提前打开了棺材盖，只听里面传来了一阵咯咯声，情形有如爱伦·坡笔下的恐怖小说。当配第和威利斯赶来时，一名观众正在猛踩格林的胸口。他们发疯般地用尽一切手段对格林实施抢救，并且获得了成功。第二天早上，格林已经可以开口讨要啤酒了。法官想再次送她上绞架，但两位医生说服了他们，表示格林其实是流产（她只怀孕了4个月），孩子在出生时已经死亡。她被宣判无罪，后来拥有了三名子女。这桩轰动一时的事件让配第和威利斯名利双收。他们再也不需要四处寻求经济支援，从此开始了一段令人倾羡的研究生涯。
其后，配第和威利斯在一起又工作了4年。在配第的指导下，威利斯开始解剖死亡病人的尸体，以便更好地理解人体及不同疾病对其的影响，探寻疾病的起因。后来，配第找到了更好的职位，前往爱尔兰，在奥利弗·克伦威尔（Oliver Cromwell）领导的军队里担任军医（他后来成了著名的经济学家、国会议员，并参与创办了英国皇家学会）。威利斯接管了配第的工作。他开始对大脑萌生兴趣，并开发了一套新的解剖技术，使得他能够比前辈更清楚地观察大脑的结构。威利斯的合作者是克里斯托弗·雷恩（Christopher Wren）。雷恩平生有诸多成就（他同时是天文学家、外科医生和建筑设计师），其中一项便是率先使用了一门精妙的技艺，即向血管注射染料。在他的帮助下，威利斯向狗的颈动脉注射墨水和番红花染料，从而勾勒出整个脑部的血管系统。威利斯首次确定了脑底血管结构的功能，为了纪念他，这一结构被命名为“威利斯环”（Circle of Willis）。
威利斯和雷恩一起绘制了迄今为止最精确的人类大脑图谱，发表在著作《大脑解剖》（ The Anatomy of the Brain and Nerves ）中。这本书很快被抢购一空，在一年内就再版4次。书中的解剖学画作在其后的200年间都没有人能超越。
尽管有如此深厚的解剖学知识储备，威利斯依旧执着于那个似乎经久不衰的观点，认为躯体的生命活力全靠感性的灵魂来维持。不过，配第终归是指导有方。在学生们完成大量实验研究之后，威利斯最终转变了想法，同意其中并无灵魂参与。血液从空气中提取某种物质并将其传输给肌肉，从而成为躯体的驱动力。他们暂时还没想到化学元素氧的作用，但已经很接近真相了。
经过无数次动物解剖，威利斯发现人类的脑与其他动物的脑极为相似。基于观察，他得出了人类和其他动物的灵魂基本一致的结论，认为其差异仅存在于躯体。例如，嗅球大的动物嗅觉更灵敏。威利斯发现人类的大脑皮层远大于其他动物，从而认为大脑皮层是记忆的所在地，因为人类能记住更多东西。威利斯的思路看上去简单粗暴，但和现代神经科学的一些最有前景的观点十分接近。事实上，2016年卡弗里奖就颁给了发现特定功能的脑区会越用越大的科学家迈克尔·梅泽尼奇（Michael Merzenich）。
话说回来，威利斯的动物解剖实验给他带来了一个严重的问题。人类的思维能力与其他动物截然不同，脑部构造却如此相似。由于无法找到任何一个脑结构来解释这一差异，他推理出一个结论，认为一定是有其他东西赋予了人类思考的能力，也就是理性灵魂。就这样，威利斯重蹈覆辙。因为无法在身体中找到理性思维的生理归属，他采纳了伽桑狄的观点，认为理性思维是非物质的，同时他也同意笛卡儿的看法，相信思维位于大脑。他认为神经负责从外界获取感觉，动物的灵魂随后将感觉运往大脑。来自各处的灵魂跟随神经通路来到大脑深处，最后汇聚在一个中央地带，即连通左右半球的巨大神经束：胼胝体。又一次，一个伟大的头脑在核心问题上偏离了正轨。这就好比一名现代科学家打开电脑机箱，没发现里边有什么特别的东西，便声称一定是主板上有某种非物质的灵魂在驱动电脑。