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蔡翘1921年冬进哥伦比亚大学读研究生。一年后，蔡翘的兴趣逐渐转移到神经解剖学和生理学方面，他认为这两门学科非常具体，归国后能更好地为国家和人民服务。自此转入芝加哥大学生理系当研究生，开启他的生物之旅。
1924年，蔡翘发表博士论文“大白鼠的记忆曲线”。而后在导师赫里克(C.G.Herrick)的指导下，对美洲袋鼠脑结构进行研究。在实验中的细心观察，整整花去半年时间，终于找到过去未曾发现过的下丘脑和中脑被盖间的一个微小新核团及两条视觉神经分支的起源和终点，并进行详细描绘和理论阐述。在研究中，蔡翘进一步发现中脑被盖中与眼球活动及其脏腑活动有关的一个神经核区。这一发现提供了视觉与眼球反身关系的解剖基础。这一重大发现，引起国际神经解剖学界的极大关注，誉其为“蔡氏神经核区”，美国神经解剖学家克拉克(C.G.Clark)教授在其著作中引用了这一科研成果，直到20世纪70年代，这一成果还为外国学者所引用。不久，蔡翘被导师推荐为美国西格马赛学会的会员。
1925年夏秋之交，他绕道加拿大经日本回国，就聘于2年前回国的同乡郭任远任职的上海复旦大学任教授，创建生物学科，执教生物学和生理学。1926年，他加入新成立的中国生理学会（当时只有十几人）。1927-1928年，谷镜汧、颜福庆、张鋆、林国镐等人在吴淞创办中国人自办的第一所医学院———国立中央大学医学院，蔡翘受聘创建生理学科，任生理学教授，兼讲授比较解剖学、组织学和胚胎学。在此期间，他首倡用华语教学；编著中国第一本大学用的生理学教科书；培养出一批中国早期的生理学工作者。
1937年1月，他任中央大学医学院任生理学教授兼科主任，再次创建生理科并与吴襄一同编著了《生理学实验》一书。抗战爆发后，中央大学医学院西迁成都，后先借用教会办的华西大学医学院的部分校舍上课，4年后，又租用城内一所中学校舍作为前期各科教学之用，在十分艰苦的条件下蔡翘仍坚持从事生理和药科的教学和研究工作。
1938年秋，蔡翘在华西三大学（中央大学医学院、齐鲁大学医学院、华西大学医学院）发起成立和领导了中国生理学会成都分会，其中郑集、童第周都是会员。1941年6月，他在华西大学医学院创办了《中国生理学会成都分会会志》，并任主编。这是太平洋战争爆发后，国内唯一的一本生理学刊物。同年，他成立了生理学研究所，并且自筹经费，亲自动手，成立制造生理学实验仪器的车间供教学和研究之用。1940年，他还曾送一套自制仪器给延安经成都到香港采购药品器材的朋友。这一年中，蔡翘在哥伦比亚大学医学院与美国学者合作继续研究血清中的缩血管物质问题，正是这一成果，后来导致国外5-羟色胺（即血清素）的发现。抗日战争期间，他主要从事有关血液生理的研究，也有不少重要发现。抗日战争胜利后，中央大学医学院复院南京，他再次领导生理科教学与研究的恢复工作，继续从事小血管受伤止血的研究。1948年，他代理中央大学医学院院长，同年被选为中央研究院院士。
蔡翘对中国的科学事业极为关心，在他的积极建议下，军事医学科学院成立了基础医学研究所，他亲自指导该所神经生物学室的研究工作并积极培养研究生。他的一生都在从事生理学工作，在生理学领域进行了多方面的开创性工作，有过许多重要的发现和成就，先后发表过100多篇学术论文和11本专著和教科书，为发展中国的生理学和医学教育事业作出了卓越贡献。（根据相关资料编写）
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