三颗心脏、蓝色血液、没有骨骼、手臂像舌头一样灵活——这些只是章鱼、鱿鱼和乌贼等头足类动物众多奇特特征中的一部分。更令人惊叹的是，它们的皮肤能感知化学物质、感受光线，并快速改变颜色和纹理，许多物种的触手甚至具备再生能力。
这些无脊椎动物与脊椎动物在超过6亿年前就已独立进化。它们的最后共同祖先可能是一种蠕虫状生物，拥有原始的神经系统和感光细胞斑块。尽管进化鸿沟如此巨大，脊椎动物与这些高度特化的软体动物却共享着惊人的相似之处。例如，它们的眼睛。“两者最终如此相似，令人感到 eerie，”俄勒冈大学神经科学家Cristopher Niell说，“眼睛的趋同进化至今仍让我惊叹不已。”
如今，这种相似性正推动着头足类神经科学的蓬勃发展。大约4亿年前，乌贼、鱿鱼和章鱼与现存唯一的其他头足类——鹦鹉螺——分道扬镳。它们随后失去了保护性的外壳，进化出无脊椎动物中独一无二的大型大脑。这些大脑赋予了软体头足类高度的智能：它们拥有出色的记忆力，会使用工具，是熟练的问题解决者，具备时间概念并能进行延迟满足。
“头足类是唯一拥有大型、智能大脑的非脊椎动物，”芝加哥大学比较神经科学家Cliff Ragsdale指出。这提供了一个独特的机会：神经科学家已积累了关于脊椎动物大脑如何运作的丰富知识，但他们正越来越多地将目光投向头足类，以探索构建大型、高性能神经系统的不同途径。
“对于那些对弄清大脑运作规则感兴趣的人来说，这无比令人兴奋，”哈佛大学头足类研究员Carrie Albertin说，“这显然是一个精巧的大脑在驱动精巧的行为。”
然而，研究这些强大大脑也伴随着一系列伦理挑战。用于科学研究的脊椎动物受到严格的法律保护，但无脊椎动物却并非总是如此。即使是最佳的金标准护理也受到限制——例如，头足类可用的镇痛选择非常有限。
尽管如此，在过去十年，尤其是最近几年，神经科学家们一直在改造现代神经科学和分子遗传学的工具——这些工具主要在小鼠和其他模式动物中开发——以应用于这些神秘的无脊椎动物。“有太多生物学问题尚未用现代细胞和分子方法探索过，”Ragsdale说。
构建大脑
对头足类神经系统的初步观察揭示，构建大型、智能大脑的方式不止一种。首先，头足类的大脑是围绕食道构建的甜甜圈形器官。此外，头足类的大量神经元——章鱼超过一半的神经元——位于控制手臂的八条神经索（或称迷你大脑）中。
即使是执行可识别功能的系统也令人费解。尽管章鱼的眼睛与脊椎动物相似，但大脑中的视觉系统却并非如此。“很难描述它有多么不同，”Niell说，“我们完全不知道它是如何运作的。”
“当你观察章鱼手臂的神经索时，它简直就是——我们称之为可怕的灰色意大利面，”旧金山州立大学头足类神经生物学家Robyn Crook说，“一切都非常微小。没有束状结构。没有大细胞和小细胞之分。它混乱得可怕。然而，显然，它有着完美的秩序。”
除了外观不同，这些神经元的通讯方式也存在显著差异。例如，在2025年12月的一份预印本中，英国MRC分子生物学实验室的神经生物学家William Schafer及其博士后Amy Courtney发现，章鱼视觉系统中的多巴胺受体与脊椎动物的运作方式不同。章鱼的受体是一个离子通道，由多巴胺直接打开，允许离子流过；而脊椎动物的受体则是在多巴胺与其表面结合时被激活，从而触发神经元内的生化信号传导。
根本问题在于：这些差异是否只是表面现象？头足类大脑是否与脊椎动物大脑遵循相同的运作原则？
“有可能，一旦被绘制出来，头足类和哺乳动物的神经元回路组织方式是相似的，”法兰克福马克斯·普朗克脑研究所系统神经科学家Gilles Laurent说，“但在找到相似之处之前，你可能需要更抽象地思考，弄清楚正在完成的是什么计算。”无论头足类大脑是否像脊椎动物一样运作，研究它们都将是双赢的局面。“要么它会告诉我们，所有大脑都共享这些基本原则，”纽约市哥伦比亚大学乌贼神经生物学家Tessa Montague说，“要么，如果它们确实以不同的方式运作，那也相当惊人，因为这告诉你，构建一个复杂、功能性大脑有不同的方法。”
经典模型
神经科学早已欠头足类一份人情。1929年，动物学研究生John Zachary Young在意大利那不勒斯动物站工作时，在鱿鱼中发现了一簇神经细胞，它们发出的神经纤维宽达1毫米。Young立即意识到，生理学家可以将电极植入这些纤维。这一发现使科学家能够破译神经元如何发射电脉冲的基本原理。
但Young主要对认知感兴趣。他与同事Brian Boycott一起，在章鱼身上发现了短时和长时记忆的行为证据——当时其他科学家也正在人类身上记录类似现象。然而，尽管Young的工作备受赞誉，章鱼从未成为研究认知的广泛模型。Ragsdale说，原因之一是研究章鱼大脑在技术上极其困难。例如，Boycott尝试了17年，都未能成功在活体动物中进行稳定的神经记录，最终因极度沮丧而离开了该领域。
即使在大脑之外，头足类也不容易操作。例如，章鱼不会在 captivity 中繁殖，这意味着研究人员必须依赖野生捕获的动物。渐渐地，其他模式物种变得更具吸引力。“你可以在一个章鱼缸里养大量的斑马鱼，”Fiorito说。从20世纪70年代起，海兔和其他大脑更简单的动物在神经元水平上提供了更易处理的记忆模型。
一些头足类研究在专业设施中继续进行。少数神经科学家甚至从传统的模式生物转向研究章鱼。他们的工作表明，拥有与脊椎动物截然不同的身体会转化为明显的神经差异。头足类没有骨骼来产生手臂的收缩、力量或僵硬。因此，它们的运动系统与脊椎动物相比，受到截然不同的约束，自20世纪90年代以来一直研究章鱼运动和记忆的希伯来大学神经科学家Benny Hochner说。这些差异导致了计划和执行运动的基本机制完全不同。
然而，在记忆方面，头足类和脊椎动物之间存在一些惊人的相似之处。例如，一些章鱼脑区已被证明使用一种突触增强形式——被认为是新记忆形成的基础——与哺乳动物的过程相似。但它是通过不同的分子机制实现的。“我看到了美丽的趋同，这是以完全不同的方式达到的，”Hochner说。
为了这一发现，Hochner的团队依赖一种直接取自哺乳动物神经科学的方法：在保持数小时存活的脑片中进行神经生理学研究。神经科学家现在正试图大规模调整这些技术，借用哺乳动物生物学中常规使用的一系列精密工具。
现代头足类工具箱中的首批物品之一是2015年由Albertin、Ragsdale及其同事发表的章鱼基因组序列。作为一项独立研究，这项工作提供了有趣的见解。例如，它发现，在脊椎动物中已扩展为在神经系统模式形成中起关键作用的两个大型基因家族，在章鱼中也同样扩展了，尽管是通过不同的机制。但Ragsdale说，这项研究也发出了一个社会学信号。“我认为当我们发表基因组时，它让许多对这些生物感兴趣的人说，‘哎呀，现在下水安全了’。”章鱼进入了它的分子生物学时代。
从那时起，具有广泛兴趣的研究人员加入了该领域。许多人询问他们之前在小鼠和其他模式生物中研究的过程在头足类中是如何运作的。斯坦福大学神经科学家Ivan Soltesz研究哺乳动物如何利用海马体中的一组神经元进行导航。这些“位置细胞”在动物处于特定位置时放电。他对章鱼的问题很简单：“它们如何导航？它们有位置细胞吗？”
Laurent利用哺乳动物、鱼类和苍蝇来弄清楚环境是如何在处理感觉信息的大脑区域中被表征的，他正通过研究乌贼的伪装来扩展这些研究。头足类直接通过神经活动控制皮肤的颜色和图案，并能改变颜色以匹配环境——这提供了感知所唤起的大脑活动的读数。或者正如同样研究乌贼伪装的Montague所说：“除了人类，没有其他动物能告诉你它看到了什么。”
2023年，Laurent的团队表明，在短短几秒钟内，乌贼通过循环一系列近似匹配来锁定与环境的最佳匹配。他现在正在研究它们如何评估每个匹配的质量，以创建一个改善伪装的反馈回路。与此同时，日本的研究人员发表的研究表明，章鱼在睡眠时皮肤颜色会快速变化，这表明它们可能在做梦。
Niell的实验室研究小鼠和章鱼的视觉，他专注于头足类的视叶，作为最初的视觉处理结构，它大致类似于脊椎动物的视网膜。2022年，他的团队分析了单个神经元中的基因表达，识别出六种主要细胞类别。通过观察细胞的位置，研究人员发现了一种以前未知的分层组织。然后，他们观察了神经元对视觉刺激的反应。这些初步表征揭示了章鱼和其他动物之间的异同。例如，研究人员在章鱼大脑中发现了一个视觉空间地图，这是动物王国中的一个共同特征。章鱼拥有对某些视觉特征（如线条或网格的方向）有特异性反应的神经元，就像哺乳动物一样。
“会存在一些共享原则，但也可能有一些完全新颖的东西，”Niell说，“要么是对同一问题有不同的解决方案，要么是解决了我们的视觉系统不必解决的问题。”他目前的工作旨在寻找这种平衡点。
当Hochner的团队为章鱼的垂直叶制作了部分连接组——所有神经元之间突触连接的详细图谱——时，他们也发现了熟悉和新颖原则的混合。研究人员在叶中发现了一些小型、简单且高度丰富的神经元，他们认为这些神经元的功能类似于更复杂的哺乳动物神经元上的单个分支。其他小组正在研究其他大脑和神经索连接组。
并非所有用于其他动物的技术都能轻易适应头足类。一项被证明难以建立的技术是从大量单个神经元进行记录。在哺乳动物中，这种体内记录一直是该领域的驱动力。这些技术有助于实现系统神经科学的一个主要目标：理解神经元如何单独和群体地对刺激做出反应并产生行为。但是，正如Niell所说——Boycott大约70年前就发现了——“在头足类中，一切都更难一些”。一个主要问题是头足类没有头骨——这意味着没有硬表面来固定电极。此外，如果你在章鱼头上留下一个突出的东西，它很可能会伸出来把它拔掉。更根本的是，Soltesz说，大多数头足类神经元的尺寸较小及其固有的电学特性使它们比脊椎动物神经元更难记录。但他的小组和其他人现在已经在记录小细胞群的平均活动方面取得了进展。
还有其他特性。许多头足类物种可以改变颜色来伪装自己。但章鱼是柔术大师——它们灵活的身体使得很难追踪色素和图案的变化。因此，Montague和其他人使用乌贼，因为这种动物扁平的身体更容易成像。研究人员正在同时为多个物种开发工具——这比专注于单一物种更具挑战性，但也有优势。例如，Montague正在制造转基因乌贼，Albertin帮助创建了一个CRISPR系统，用于编辑一种体型小且在实验室中繁殖良好的鱿鱼物种的基因。建立任何新的动物模型都是艰苦的工作，Laurent和Soltesz都赞扬了那些领导了许多艰苦努力来开发记录方法的博士后。Montague最大的担忧是最终建立自己实验室的成本。“头足类非常昂贵，”她说，“而且它们需要绝对专业的护理。”
零散的保护
关于头足类护理和福利的法律在世界各地差异很大。“不同的人在完全不同的约束条件下工作，”Courtney说，“在日本和美国，没有关于伦理的法律要求，而在欧洲和英国，则有相当严格的伦理要求。”这些更严格的要求反映了用于研究的脊椎动物的法律保护，包括在需要时提供充分的麻醉和镇痛。欧洲和英国在2010年代引入了保护措施，Fiorito和其他人提供了头足类护理指南。但在美国，这方面的努力已经失败，使得那里的实验室和其他地方的实验室承担有限的法律义务。（本文采访的美国研究人员表示，他们自愿遵循欧洲指南。）
Crook的研究支持头足类会经历疼痛的观点。但是，她说，为哺乳动物开发的镇痛药似乎对头足类无效，局部麻醉剂似乎效果有限。Crook正在寻找能缓解头足类疼痛的化合物，并表示其他人也应该投入精力帮助这些努力。在对如何缓解疼痛知之甚少的情况下开发动物模型“是一个伦理雷区”，她说。尽管需要谨慎，Crook和其他人对扩大这些动物模型感到兴奋，并且与其他模式生物中逐步取得的进展不同，许多技术正在同时涌现。“每个人都同时投入其中，我认为这很迷人，”Crook说，“这是在神经科学中构建一个领域的非常非常不同的方式。”