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1621年1月27日，托马斯·威利斯出生在英国威尔特郡的一个农场里，他的父亲是剑桥郡芬迪顿威利男爵的亲戚，因此他获得了良好的教育。1636年，在威利斯开始于牛津大学学习前不久，查理一世修订了大学章程，解剖成为医学训练的一部分。1636年的宪章表明，牛津大学的医科学生可以认领任何在牛津大学21英里范围内被处决的囚犯尸体。要获得医学学士学位，除了参与解剖学讲座和解剖实践之外，医科学生还必须有两次公开解剖经历，这一宪章强烈地冲击了牛津大学乃至整个英国的医疗教育。就读于牛津大学后，在他的导师、著名解剖学家威廉·佩蒂（William Petty）的带领下，威利斯经常在前者位于巴克利大厅的住所里与之一起开展解剖实践。

1642年，威利斯从牛津基督教会获得硕士学位。但是直到1646年，他才正式成为了一名医生。作为一名年轻的医生，威利斯在牛津城外经营着自己的诊所，走访邻近村庄的市场，并积极为人们提供医疗服务。威利斯必须证明自己的医术，方能在有着众多资深医生的牛津吸引到更多往来就诊的病人。在刚成为医生的时候，他不得不和另一位苦苦挣扎的内科医生理查德·利德尔（Richard Lydall）共骑一匹马，以省下一笔微薄的路费。

威利斯观察和治疗病人的方式与他同时代的许多人不同，因为他有独到的观察和批判性的观点。他曾因观察到苍蝇被几份尿液样本所吸引而认识到糖尿病的特征，后来，他甚至救活了一名被施以绞刑的女性，这些工作使他名声大噪。在职业生涯中获得丰富临床经验的威利斯，终于再也不必为生计发愁，因此他得以全身心地投入到一切医学事业的基础——解剖学的挖掘之中。

十七世纪初，学术和科学进步出现了前所未有的增长。某些清教徒教派持有一种激进的世界末日观点，认为世界末日即将到来，基督将会降世，并统治世界千年。这一学说蔓延到所有宗教团体，并成为英国学术界的大热话题。人们鼓励学习上帝创造的自然世界，更深入地认识造物主，从而为基督的再次降临做好准备。尽管这种思想开端是不可理喻的，但它却意外地加速了“自然哲学”这一学科的发展。到1660年君主复辟时，欧洲的科学出版业已然达到了新的高度。威利斯也受到了这一风潮的影响，1659年，他根据自己对物质和生命的基本组成部分（也被称为“生命的灵魂”）的研究，出版了《医学哲学》（Distribae DUAE Medical-Philosophae）等一系列著作。

在英国内战期间，牛津仍然是一个坚定的保皇派城市。即便到了英联邦时期，威利斯仍然坚持忠于王室和他的圣公会信仰，因此受到了议会的打压。直到君主复辟后，查理二世推行了一系列政策，使得忠于皇室和教会的人们重新登上了历史舞台。此时，牛津到处都是国王的忠实支持者，威利斯也得到了资助，并在1663年成为一名自然哲学教授。当时，亚里士多德仍然被认为是一切学科的起源，威利斯本应以亚里士多德为基础来讲授这门传统的课程。然而，在长期的动荡下，法律限制和教学氛围并不严酷，使威利斯能够讲授自己结合了传统观点和新哲学的课程。在准备课程资料时，威利斯不满足于原有的寥寥无几的解剖学著作，他不停地寻找资料，这为他对大脑的理解提供了坚实的基础。

威利斯一直相信，解剖学是理解理性灵魂的关键，并且他认为，理性灵魂作用于大脑。1664年，威利斯出版了一本关于大脑和神经的著作《大脑解剖学》（Cerebri Anatomehe），这本书对之后的两个世纪产生了深远的影响。在序言中，威利斯表示，解剖学的研究可以“解开人类心灵的秘密之处”。

威利斯认为，大脑和神经是由万能的造物主——上帝构建的有序系统的一部分。他相信，解剖学将证明人和动物在结构上的相似之处，而在更高级的功能上有所不同，从而证明人除了与动物有共同的灵魂外，还有一个不朽的灵魂。

1662年，查理二世对出版物施加了严格限制，但威利斯没有受到当时严格的审查制度的影响。由于威利斯坚定地维护王室和教会的地位、支持了君主制的回归，还接受教会作为国家元首，因此没有人想到这本《大脑解剖学》会是一本囊括了种种新观念的著作，《大脑解剖学》于1663年通过了审查，并于次年出版。

在威利斯之前，许多解剖学家都因为“有缺陷的技术”而产生了虚假的结果，因此，威利斯认识到了研究大脑的方法的重要性。《大脑解剖学》的第一章、同时也是最长的一章，专门讲述了如何最好地分析大脑和神经。威利斯用他最喜欢的文学手法、同时也是君主复辟后在文学和哲学著作中的一种常见手法——比喻，来表达他对大脑的看法。在他的书中，大脑是一个“王国”、一个“巢穴”、一个“箱子”、一个“拱顶”，也是首都和“神的礼拜堂”。它是人体的主要器官，其中分为“省”和“村”，并被“河流”（血管）隔开。神经就像“白银和黄金”，包含着灵魂，充当“许多不同的部队或连队的士兵”，引起“像火药爆炸一样”的肌肉运动。大脑控制身体的其他部分，神经作为士兵执行动作。

在17世纪中期，解剖在英国已是司空见惯的事情。威利斯解剖了已故患者的尸体，并指导了大部分的解剖工作。与传统解剖方法不同的是，威利斯并没有直接切开大脑，而是先从头骨中取出完整的大脑，并通过放大镜仔细观察它的结构。通过这种方法，他在《大脑解剖学》中讲述了他最重要的发现之一“Willis环”。

早在1664年前，关于大脑底部动脉的吻合就已经存在一些粗糙而原始的记载。威利斯在这些记录的基础上进行了改进，并首次尝试将功能归因于他所描述的解剖学，这一结构最终被证明是大脑底部的动脉供应。他在一名死于胃癌的男子的尸检中，偶然发现了数条动脉吻合而成的一个环状结构，并通过注射墨水，展示了这一动脉环的功能和意义。威利斯在前人的基础上提供了最好的例证，强调了动脉环排列的吻合性质。因此，这个动脉环结构被命名为“Willis环”，长久地与他联系在一起。

除了《大脑解剖学》外，当初的课程材料最终还构成了他在1667年的著作《大脑和神经类病理标本》（Pathologiae Brabri Et Neurosi Samples）和1672年的著作《动物器官》（De Anima Brutorum）的基础。通过出版《大脑解剖学》等著作，威利斯将他的思想传播到牛津以外的更广泛的读者群体中，其中也包括神职人员和皇家医师学院的成员。

在那个艰难的年代，威利斯经常连续几年跟踪随访自己的病人，并在他们死后解剖他们的遗体，可以说，他的成功与这种坚持密不可分。在此基础上，威利斯能够及时发现行为改变与大脑异常的联系，因此他认识到了几种神经疾病的病理基础，并且他的解剖学描述和病历至今仍然有效。他严谨的病理观察以及对病理和临床发现的相关性的阐述，深刻地影响了临床医学研究。在随访解剖中，威利斯认识到，“脑膜炎和大脑化脓性状态不会引起精神错乱，而是嗜睡和昏迷”和“狂躁是一种带有愤怒的谵妄”。他描述了先天性智力低下病例的大脑形态异常，并发现了一例长期单侧偏瘫病例的大脑脚（通往脊髓的主要输出通路）发生了单侧变性。这些发现表明，威利斯是多么超前于他的时代，以及他的方法与同时代其他著名医生相比，是多么的不同。

在威利斯的时代，大脑标本是没有经过福尔马林处理的。通过研究这些未经处理的大脑，威利斯颠覆了盖伦的描述，对脑神经进行了重新分类。在《大脑解剖学》中，他记录了第一到第六脑神经；他认为，第七脑神经是有两个分支的听神经；第八脑神经是迷走神经，威利斯还认出了第八脑神经通向心脏的分支。威利斯发现了脊椎副神经、舌咽神经和舌下神经，并提出延髓对于心、肺和肠的功能调节是必不可少的。此外，威利斯也意识到反射动作的概念；他认为，神经冲动在大脑之间来回穿梭，而“动物精神”则从纹状体“反射”回大脑外围。考虑到他关于神经脉冲传递的理论比电流的发现早了上百年，这一观点远远地超出了他所在时代的普遍认知。

著名神经学家安德烈亚斯·维萨留斯（Andreas Vesalius）和约翰尼斯·韦普费尔（Johannes Wepfer）对大脑的解剖学研究比威利斯早了至少一个世纪，但威利斯的贡献是前无古人的。受过哲学教育的他认为，通过解剖学，一个人可以理解灵魂的三种形式——生命、理性和“不朽的灵魂”。他认为不朽的灵魂只存在于人类中，而充满活力和理性的灵魂既存在于动物中，也存在于人类中。他研究并比较了许多不同生物体的神经系统，这种方法可能对他的巨大成功做出了贡献。

在寻找人类在认知功能方面的特殊能力时，威利斯将人类的外周和中枢神经系统与其他不同物种的同等系统进行了比较。在《大脑解剖学》一书中，他描述了与其他物种相比，人类大脑皮层的体积要大得多，并将这一特征与人类优越的智力联系在一起。他认为，在鸟类和鱼类中，大脑的平坦而均匀的表面完全没有回回和弯曲，这就是为什么这些动物的理解和学习能力较差的原因。因此，威利斯是第一个提出人类大脑的高级认知功能来自大脑皮层的沟回的人。

威利斯将他的工作扩展到更广泛的物种，包括桑蚕、牡蛎、龙虾和蚯蚓。解剖这些标本需要高超的外科手术技巧，精美的插图也需要高超的艺术技巧。此前，人们还没有对各种动物的神经系统进行过详细的研究，由于威利斯的开创性发现，他被誉为比较解剖学之父。他还在动物身上进行了许多实验，以了解神经作用的机制，并试图将这些实验与他在临床中所观察到的病人症状的起源联系起来。这些在当时都是革命性的概念。