«Топографическая анатомия, иллюстрированная разрезами, проведенными через замороженное тело в трех направлениях» начала выходить отдельными выпусками в 1851 году и была полностью закончена в 1859 году. Создание атласа распилов, завершившее исполинский труд Пирогова, явилось истинным торжеством русской медицинской науки: ни до него, ни после не было создано ничего, равного этому атласу по идее и ее осуществлению. Топография органов представлена в нем с такой исчерпывающей полнотой и ясностью, что пироговские данные всегда будут служить отправным пунктом для многочисленных исследований в этой области. Как справедливо пишет академик Е. Н. Павловский, «основы, возведенные Пироговым, остаются и останутся незыблемыми при всем техническом прогрессе современной и будущей хирургии».
Атлас распилов, выполненный Пироговым, является сегодня основой для томографии - метода диагностики опухолей в органах в начале развития.
В области патологической анатомии Пирогов был также одним из крупнейших исследователей. Возглавив руководство госпитальной хирургической клиникой, работа в которой требовала много времени и труда, Пирогов принял на себя чтение курса патологической анатомии, причем в период своей профессуры вскрыл (по словам И. В. Бертенсона) 11600 трупов, составив при этом подробный протокол каждого вскрытия.
За классическое исследование «Патологическая анатомия азиатской холеры, с атласом» (С.-Петербург, 1849), основанное на 400 (с лишним) вскрытиях, Пирогов получил полную демидовскую премию. В отзыве академика К. Бера на этот труд дана такая характеристика: «...В особенности по причине... строго-науковой методы и прямой любви к истине должно назвать это сочинение образцовым, потому что оно принадлежит такой именно области, в которой довольно редко наблюдается ход науки».
Насколько сильное впечатление оставляли у присутствовавших вскрытия, производившиеся Пироговым, видно из воспоминаний известного казанского фармаколога И. М. Догеля, решившего стать медиком после посещения такого вскрытия. Догель пишет: «Вся эта обстановка и в особенности строго серьезное отношение к делу или, лучше сказать, сильное увлечение самого профессора своим предметом так подействовало на меня, что я окончательно решил посвятить себя изучению медицинских наук».
Вопросы, касающиеся развития воспалительного процесса, Пирогов изучал настолько глубоко, что был вооружен достаточно сильными аргументами, направленными против клеточной патологии Вирхова. Он подверг это учение основательной критике, подчеркивая ведущую роль в развитии воспаления нервной системы.
Обширная экспериментально-хирургическая деятельность Пирогова началась в Дерпте почти тотчас же по окончании Московского университета. Темой его первого солидного экспериментального исследования был вопрос о перевязке брюшной аорты. Изучению техники и последствий этой операции Пирогов посвятил свою докторскую диссертацию, напечатанную на латинском языке и защищенную в 1832 году. Ему показались неубедительными доводы в пользу этой операции, которые выставил известный английский хирург и анатом Э. Купер, впервые сделавший ее у человека в 1817 году. Купер на основании нескольких опытов, произведенных на кошках и небольших собаках, выживших после перевязки брюшной аорты, счел возможным наложить лигатуру на брюшную аорту у больного, страдавшего аневризмой подвздошной артерии. Больной Купера погиб, как и другой больной хирурга Джемса, оперированный в 1829 году.
Исследование Пирогова, носящее название «Является ли перевязка брюшной аорты при аневризмах паховой области легко выполнимым и безопасным вмешательством?», имело целью ответить на вопрос, заключенный в этом названии. Пирогов изучал последствия перевязки брюшной аорты на многочисленных животных разных видов, разного возраста и разной величины, причем количество опытов, имевших целью осветить все стороны вопроса, включая и последствия постепенного сужения брюшной аорты, превысило 60. Пирогов пришел к такому выводу, что, несмотря на сохраняющееся при одномоментной перевязке брюшной аорты у животных кровообращение в задних конечностях, после этой операции возникают столь тяжелые приливы крови к легким и сердцу, что животные, как правило, погибают вследствие тяжелых нарушений функции этих органов.
Пирогов совершенно точно определил то основное, опасное для жизни осложнение, которое развивается после перевязки брюшной аорты. Он интересовался прежде всего не местными нарушениями кровообращения, наступающими после этой операции, а влиянием перевязки брюшной аорты на весь организм. Пирогов классически описал клиническую и патологическую картину расстройств, связанных с перевязкой брюшной аорты. В этом его огромная заслуга и бесспорный приоритет.
Большое место в диссертации Пирогова отведено изучению вопроса о роли постепенного сжатия просвета брюшной аорты. И здесь Пирогов впервые многочисленными опытами на животных установил, что такого рода вмешательство имеет значительные преимущества по сравнению с одномоментной (внезапной) перевязкой аорты: подопытные животные гораздо легче переносят такое воздействие. Исходя из убеждения недопустимости оставления в глубоких тканях всевозможных инструментов, Пирогов разработал оригинальный метод, посредством которого он постепенно суживал у животных просвет брюшной аорты. Суть его заключается в том, что концы лигатуры, наложенной на аорту, он выводил наружу и привязывал к турникету Буяльского, вращая подвижную часть которого можно закручивать лигатуру и тем самым суживать просвет сосуда. Постепенно закручивая лигатуру в течение нескольких дней, Пирогов добивался полной или почти полной непроходимости брюшной аорты, причем в этих случаях часто не развивались тяжелые осложнения со стороны легких и сердца, которые, как правило, приводили к гибели животных (телят, овец) после одномоментной перевязки брюшной аорты. При постепенном суживании брюшной аорты удалось предупредить и развитие у животных паралича задних конечностей.
Впоследствии Пирогов перенес свои наблюдения над животными в клинику и высказал аналогичные соображения в отношении перевязки и других крупных артериальных стволов, какова, например, общая сонная артерия.
Вопрос, в какой мере и за счет каких артерий развивается окольное кровообращение после перевязки брюшной аорты, впервые получил надлежащее освещение в опытах Пирогова, частично описанных в диссертации, частично разобранных в «Анналах дерптской клиники».
Интересный вопрос, подвергнутый серьезному рассмотрению в труде Пирогова и получивший впервые принципиальное правильное освещение, касается причины паралича задних конечностей, наблюдающегося у большинства животных после перевязки брюшной аорты. Пирогов высказал по этому поводу такое мнение: «Причину возникновения паралича, который мы наблюдаем на конечностях после перевязки аорты, следует искать, по-видимому, частью в самом спинном мозгу, частью же в окончаниях нервов».
До Пирогова принято было считать причиной этого паралича только нарушения в спинном мозгу. Такой точки зрения придерживался, например, известный в начале XIX столетия французский физиолог Легаллуа. Пирогов рядом своих экспериментов опроверг точку зрения Легаллуа, основанную на единственном опыте, который был поставлен этим физиологом на кролике. Пирогов показал, что степень восстановления кровообращения в спинном мозгу после перевязки брюшной аорты у разных животных различна.
Вопрос же о том, происходят ли действительно серьезные изменения в спинном мозгу после перевязки брюшной аорты, окончательно еще не решен. Во всяком случае, данные самого последнего времени говорят о том, что после такой операции у погибших животных может наблюдаться распад белого и серого вещества в поясничной части спинного мозга. Поэтому имеются все основания согласиться с Пироговым в том, что причиной паралича задних конечностей являются изменения и в периферических нервах, и в спинном мозгу. По крайней мере в отношении головного мозга советскими учеными уже убедительно показано, что анемия его при известных условиях может быть причиной тяжелейших необратимых изменений в мозговой ткани, приводящих к гибели животных.