Dagli anni cinquanta studiò gli aspetti biochimici dell'azione dell'acetilcolina, la molecola responsabile della neurotrasmissione, cosa che gli consentì di vincere il Nobel, particolarmente per aver dimostrato il rilascio "quantico" della molecola a livello sinaptico. Infatti, il rilascio di quantità definite di acetilcolina nello spazio fra le sinapsi è dovuto al fatto che le molecole del neurotrasmettitore risiedono in compartimenti cellulari detti "vescicole sinaptiche" che vengono espulse nello spazio inter-sinaptico per un meccanismo di esocitosi.