当时，运动功能障碍的外科治疗仍主要集中在帕金森综合征的治疗上。在20世纪三四十年代，由于种种原因，特发性帕金森氏综合征患者的数量激增，在药物治疗手段有限的情况下，手术是减轻患者痛苦的震颤症状的唯一方法。这期间，相关手术治疗的主要机制是通过破坏包括大脑皮层、脑蒂、脊髓乃至神经根水平的各个层次的神经系统。而帕金森综合征的神经外科手术最初则主要针对锥体束进行，通过破坏患者大脑中的运动前区或运动区来达到震颤消融的目的。到1940年，已有关于一百例运动前区皮质切除的报道，其中有39例患者的震颤得到缓解而未发生明显的神经功能障碍。在1942年的一篇有关运动前区皮质和运动皮质切除术的病例系列报道中，所有患者的震颤症状均消失，但部分患者出现了偏瘫。为了改善患者预后，著名神经外科医师帕特南（Tracy J. Putnam）设计了包括在脊髓的第二颈椎水平切开锥体束技术在内的锥体切开术，另一位著名神经外科医师沃克尔（Arthur Earl Walker）则引入了包括在中脑水平切断锥体束技术在内的椎弓根切开术，这些技术避免了皮质切除术后的癫痫和偏瘫等并发症，因此它们逐渐取代了皮质切除术。然而，所有这些以破坏患者运动功能为代价的手术虽然都能缓解了震颤，但对肌强直、运动迟缓等帕金森综合征的其他主要表现并没有起到任何作用。

之后，帕金森综合征的外科治疗再次有所突破，手术治疗的焦点从运动区与运动前区转移到了基底节和丘脑内的靶点。著名神经外科医师迈耶斯（Joshua E.Meyers）在一系列手术中发表了他的开创性报告——报告显示，通过破坏苍白球内侧的纤维，可以同时改善震颤和肌强直。之后，众多神经外科医生在这些报道的基础上，通过立体定向技术精准地开展了苍白球内侧的纤维，达到了在不对患者的运动功能造成毁灭性破坏的前提下缓解帕金森综合征患者临床症状的目标。可以说，在20世纪中期，人们对帕金森综合征的手术治疗的探索从未停止过。

库珀也是致力于帕金森综合征手术治疗的神经外科医师之一。1952年，库珀在一次颞下入路的脑蒂切开术中不慎受伤，随后被迫阻塞脉络膜前动脉，意外中止了断蒂手术。然而，令库珀大吃一惊的是，病人从麻醉中苏醒后，他的震颤和肌强直症状均消失了，没有任何残存的偏瘫，手术事故竟突然成为了意外之喜。这一事件给予了库珀启发，他开始尝试通过夹闭脉络膜前动脉以治疗帕金森综合征。

库珀从脉络膜前动脉的治疗经验中得出，帕金森综合征的震颤、肌强直和运动迟缓等症状可以通过破坏基底节来改善。通过一系列的回顾性分析，加上阿道夫·迈耶（Adolf Meyer，约翰·霍普金斯大学的著名精神病学家）早期关于基底神经节在运动控制中的作用的研究，库珀确定，单侧震颤、肌强直和运动迟缓的患者是基底节手术的理想手术对象。然而，开发一种更安全、提供更一致结果的手术操作成为当务之急。

1953年9月，库珀结合新出现的立体定向技术，构思了一种化学苍白球切除术，作为在苍白球内制造病灶损伤的另一种方法。在这项手术中，患者首先接受了术前气脑造影检查，进行了病灶的影像学定位。随后，通过一个小环钻插入一个插管，通过立体定向设备，令插管的顶端可以到达苍白球内侧，随后在病灶注射定量的普鲁卡因造成精准损伤；术后再行观察，如果患者对侧震颤和僵硬有所缓解，则再次注射无水酒精，对这一病灶造成破坏性损害。

随着这项技术的使用经验增加，库珀发现，普鲁卡因溶液偶尔会沿着插管回流，或者会被细胞外液稀释，导致手术结果不理想。因此，他一直没有放弃寻求一种更可靠的方法来保证符合术前策略的损伤。在化学苍白球切除术的机制上，库珀通过向一个小型充气气囊的管腔内注入空气或液体，产生了一个试验性的压迫损伤；如果患者的术后症状缓解，则再注射无水酒精。库珀随后报告称，在采用了这种技术的70名患者中，患者死亡率不到3%，这些患者接受了使用这种技术进行的化学气囊切除术，仅1名患者术后出现偏瘫，6名患者术后出现一过性偏瘫。

1954年起，库珀在纽约市圣巴纳巴斯医院组织了神经外科，随后在那里进行了数千次手术治疗运动障碍。这一早期手术经验也表明，苍白球切除术最适合治疗肌强直，但对治疗震颤仍然力有不逮。无论库珀如何苦思冥想，都想不出更好的治疗方法，他们对帕金森综合征的治疗一度陷入僵局。这时，似乎是“上帝的安排”，有关帕金森综合征手术治疗的机缘在1960年的圣诞节降临了。

1960年的圣诞节，库珀收到了一件并不特别引人注目的小礼物——一个酒瓶开瓶器。这个小物件可以通过向酒瓶内注入二氧化碳顶开软木塞，这种气体温度非常低，可以冷冻手上的部分皮肤，而且部位非常局限，并不涉及周围组织。库珀的职业习惯还令他注意到，这个开瓶器与他术中常使用的大脑插管很相像。很快，库珀意识到，这个市面上随处可见的开瓶器，或许是能为众多帕金森患者带来更好的手术结果的突破口。

这个时髦的开瓶器之于库珀，犹如金苹果之于牧羊人帕里斯，成为了他荣耀和幸运的宝贵机遇。1961年，在工程师罗伯特·约翰逊（Robert Johnson）和低温生物学家亚瑟·林弗雷（Arthur Rinfret）的帮助下，库珀设计了第一个用于大脑的冷冻外科探针。探针由三根长长的同心圆管组成，其中内管充当液氮流向尖端的管道，内管和中管之间的空间为从探头尖端逸散气体提供了一条通道，而中管和外管之间的空间则作为真空绝缘层，以防止热量散失，这一装置可以冷却病灶组织以达到破坏作用。

1962年10月，库珀用这一装置进行了历史上首次丘脑冷冻破坏术（Cryothalamectomy）。库珀在术中仍使用与他早期手术相同的立体定向技术，将探针刺入丘脑腹外侧部后，通过内部的液氮对该区域进行暂时冷却，对患者进行初步的损伤测试。如果观察到患者的震颤和肌强直症状减轻，则可锁定病灶，继续将液氮（-196˚C）推注至探头的尖端，对病灶施以彻底破坏。这一方法可以精准破坏基底神经节和位于丘脑的病灶，同时减少了对患者大脑的破坏程度，极大地提高了患者预后。冷冻外科手术从此声名鹊起，也被开发出对其他运动障碍的治疗用途；比如，有人通过冷冻外科手术，损毁患者丘脑后腹外侧区以治疗肌肉变形等功能障碍。库珀用这种技术治疗了许多帕金森综合征患者，术后死亡率不到1.5%。手术在高风险患者中成功率为60%，在低风险患者中成功率为90%。库珀也因开发了冷冻外科设备和技术，被誉为“冷冻外科之父”。虽然在他之前已经有人发现冷冻技术可以在一些人体器官中造成损伤，但很明显，库珀通过研发精密的装置和技术，将冷冻外科技术在神经外科方面的作用发挥到了极致。

在冷冻探头问世后，冷冻外科技术开始得到广泛的认可，并普及应用到包括前列腺疾病和支气管癌在内的不同的临床疾病中，动物实验和临床研究也很快证明了冷冻外科技术在抗体开发等方面的许多潜在的临床益处。在这一关键进展之后，库珀成功治疗了许多的帕金森综合征、原发性震颤、威尔逊病、舞蹈症、癫痫和卒中患者。以此为基础，库珀继续深耕拓展功能神经外科领域。