Continuant els treballs de Loewi i de Dale que fonamentaren la teoria de la transmissió química de l’impuls nerviós, ha investigat la presència i els canvis de l’acetilcolina a les sinapsis ganglionars i postganglionars, a la placa motriu i —l’aportació més important— al sistema nerviós central. L’any 1970 rebé el premi Nobel de medicina, juntament amb Von Euler i Axelrod.