1987年，卡森已是约翰·霍普金斯大学医院70名专家外科团队中的首席神经外科医生。就在那一年，一对父母前来医院请求为他们的双胞胎提供帮助。这对名为帕特里克·宾得（Patrick Binder）和本杰明·宾得（Benjamin Binder）的双胞胎婴儿，虽然有各自的名字和大脑，但他们头颅的枕部却紧紧地融合在一起，令他们与“独立”无缘。在评估了这对双胞胎的情况后，卡森团队认为，这对双胞胎有专属于他们自己的大脑，因此可以尝试采用分离术来帮助他们。随后，他们开始了一系列的严密准备。

约翰·霍普金斯小儿神经外科的手术团队为这场手术排练了数周。他们在一对头部被尼龙搭扣固定在一起的洋娃娃上反复演练着手术程序。1987年9月4日，手术正式开始。术中，卡森创造性地使用了一种十分激进的方法——他将双胞胎的体温降低到循环近乎停止的程度，大幅降低了大出血的风险。历时22个小时后，宾得双胞胎连接着的枕骨部分被成功分开了。这场原本在许多人眼中无异于“异想天开”的手术的成功，使卡森成为一名享誉世界的小儿神经外科医生。但据报道，由于医疗条件的限制与相关经验的不足，这对双胞胎在手术两年后出现了严重异常。他们都不能说话，也完全没有自理能力，其中一个甚至成为了植物人。作为医学界一场前无古人的盛况的参与者，这对双胞胎最终都被送进了德国国家医疗机构的病房。2015年，《华盛顿邮报》采访了宾得双胞胎的叔叔后遗憾地得知，这对双胞胎于2005年前后去世了。

尽管如此，在第一例手术的随后十数年里，卡森还是不断完善了连颅婴儿分离手术的技术，并前后参与了四次高风险的连颅双胞胎分离手术。1994年，卡森为一对南非的连颅双胞胎女孩进行了分离手术，虽然最终两个孩子都因手术并发症去世——这让卡森的内心无比自责，但他仍下决心要在这条路上闯出一番天地。1997年，卡森带领南非和赞比亚的神经外科团队，为一对赞比亚的连颅双胞胎进行了一场历时28小时的漫长手术。手术后，这对双胞胎的神经功能完全恢复正常，这场手术的全面成功，令卡森真正站在了世界医学的神坛当中。