2026年3月26日，北京大学生命科学学院、麦戈文脑科学研究所、定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心研究员梁希同老师应邀为《生命科学科研概览和前沿展望》课程开展讲座，报告主题为“乌贼和章鱼的智能与仿生”。在本次报告中，梁希同老师以头足类动物（乌贼和章鱼）为核心，从行为观察、神经机制、发育演化及仿生启示多个维度，系统展示了课题组在探究无脊椎动物复杂智能行为方面的前沿进展。
报告伊始，梁希同老师指出，乌贼、章鱼等头足类动物是无脊椎动物中神经系统最为复杂的类群。它们拥有约5亿个神经元，这一数量级与小型哺乳动物相当。从演化树来看，人类与头足类动物的共同祖先可追溯至6亿年前，是一个尚未形成复杂中枢神经系统的生物。此后，脊椎动物与头足类动物各自独立演化，形成了截然不同的“思考中枢”。因此，头足类动物为我们提供了一个独特的参照系：除了人脑以及人类创造的人工智能之外，是否存在另一种由自然演化出的、同样复杂的智能形式？研究头足类动物的智能，不仅有助于理解智能的通用原理，也可能为仿生学提供全新的解决方案。
梁希同老师将其实验室的研究聚焦于两个核心问题：一是章鱼和乌贼如何实现对无骨骼、高自由度触手的精细运动控制；二是它们如何通过皮肤上的色素细胞，实现快速而复杂的变色伪装。这两个问题分别对应了软体运动控制与动态图案生成两个关键方向。
变色伪装是本次报告的重点。梁老师详细介绍了头足类动物皮肤上独特的色素细胞。每个色素细胞像一个由肌肉控制的“像素点”：其周围有10至20条肌纤维，受运动神经元支配。肌肉收缩时，色素细胞被拉伸放大，呈现颜色；肌肉舒张时，细胞缩小为肉眼不可见的点，露出白色底色。通过独立控制皮肤上数以万计（大个体可达十万个）的色素细胞大小，乌贼和章鱼能在体表生成几乎任意图案。
1. 迭代优化与视觉反馈
为定量研究这一过程，实验室建立了高精度成像系统，可同步追踪乌贼身上十万个色素细胞的单细胞动态，并构建了一个由这些被追踪细胞组合而成的高维“图案空间”。研究发现，当乌贼从一种背景向另一种背景变色时，其轨迹每次都不相同，并非一个固定的动作程序。通过对变色过程的精细分析，梁老师团队发现，乌贼采用的是“试错-收敛”策略：乌贼并非一次性完成变色，而是通过多次迭代，每次变色后停下来观察，根据当前图案与环境的差距调整下一步方向，逐步逼近目标图案，这一过程依赖于实时的视觉反馈。实验证实，当乌贼佩戴项圈无法看到自己的身体时，其变色伪装能力几乎丧失；同时，眼动追踪显示，在每次快速变色后，乌贼的眼睛都会向身体后方转动，以确认变色效果。这种“生成-评估-调整”的迭代优化过程，展现了其基于视觉反馈的闭环控制能力。
2. 自我意识的启示
进一步的研究揭示，乌贼和章鱼能区分自己的身体与环境。当它们通过镜子或视频回放看到自己的图像时，会表现出针对性的行为。梁老师团队巧妙地设计了一项基于虚拟点的镜子测试：在章鱼的实时视频回放中，随机时间叠加一个虚拟的色点。结果显示，当虚拟点出现时，章鱼摸自己头部的频率显著提高；而当视频被替换为另一只章鱼的图像时，该效应消失。这一实验为头足类动物具有自我认知能力提供了有力的行为学证据，提示它们可能具备一定程度的自我意识。
3. 伪装与交流的独立系统
梁老师进一步区分了变色的两种功能：伪装与交流。伪装是对环境的被动适应，其过程具有高度的可变性和迭代性。而交流，尤其是面对捕食者时用于恐吓的全身变色行为，则呈现出高度一致的固定程序。实验证据表明，这两套系统可能是独立并存的。例如，当乌贼被惊吓而“变白”时，其原有的伪装图案并未消失，只是被暂时覆盖。当惊吓信号解除，动物可以瞬间恢复原状，无需重新进行迭代优化。这种“程序化”的信号发送机制，使得它们能够在需要时进行快速、高效的社交互动。
4. 记忆、学习与演化视角
尽管乌贼表现出惊人的变色能力，但在反复暴露于同一环境背景时，它们并未显示出学习与加速的趋势。梁老师认为，从生态学角度看，乌贼在自然环境中是游荡型生物，极少反复回到同一背景；此外，每次都“重新生成”一个略有差异的图案，可能有助于防止捕食者形成固定的搜索模式，是一种适应性策略。然而，乌贼能够将视觉图案与触觉或化学感受相关联。实验证明，当乌贼在黑暗环境中仅凭触觉或味觉线索，就能回忆起先前与这些线索相关联的视觉背景，并提前生成相应的伪装图案。这表明它们具备跨感觉模态的视觉情景记忆能力。
廷伯根的四项基本问题（Tinbergen‘s four questions）指出，理解一种行为需要从四个角度出发，即：机制、发育、功能、演化。
在发育层面，梁老师团队发现，乌贼皮肤上的色素细胞会随着身体的长大而不断增多。新的细胞以“插空”的方式生长，并遵循一个“黄色→红色→黑色”的成熟过程。他们建立了一个简单的数学模型，只需调节少数参数，就能模拟出不同物种（如乌贼和鱿鱼）皮肤上截然不同的色素细胞分布模式，揭示了物种间形态差异可能源于发育程序的微小调整。
在演化层面，梁老师比较了善于变色伪装的乌贼与不善于变色、但擅长将自己埋入沙子的四盘耳乌贼。通过神经解剖和电刺激实验，他们发现，乌贼脑中负责控制变色的运动区域存在一个精确的“身体地图”（somatotopic map），不同脑区对应控制身体不同部位的色素细胞，且视觉信息可以直接投射到前运动区，从而实现快速、精准的视觉引导伪装，而这些关键的神经通路在四盘耳乌贼中并不存在或较弱。此外，梁老师还比较了乌贼和四盘耳乌贼的神经元、色素细胞的数量以及比例关系。乌贼拥有约1万个肌纤维神经元，控制约8千个色素细胞，神经元对色素细胞的比例约为1:0.8；而四盘耳乌贼拥有约50个肌纤维神经元，控制约350个色素细胞，神经元对色素细胞的比例约为1:7，这一对比研究为理解复杂伪装能力的神经基础如何演化提供了关键线索。
最后，梁希同老师分享了皮肤感光机制带来的仿生启示。研究发现，除了中枢神经控制外，乌贼皮肤上的色素细胞还能直接对光产生反应。其皮肤中分布着高密度的感光细胞，它们能感知局部光照强度，并通过局部的神经回路，直接增强或减弱邻近色素细胞的反应。这一机制使得乌贼能够在复杂的三维环境中，无需经过大脑进行复杂的“渲染”计算，仅凭皮肤自身的“感知-反应”回路，就能自动补偿光照不均匀造成的立体感，实现更完美的平面伪装。这启示我们，大自然解决复杂问题的方案往往不是集中式计算，而是巧妙地将传感器与执行器结合，这种高效的智能设计为未来的仿生学提供了极佳的范例。
梁希同老师的报告以独特的视角，将动物行为学、神经科学、发育生物学与仿生学前沿问题有机结合。通过对乌贼和章鱼这两种“智能”的深入剖析，系统阐述了从行为观察、机制解析、发育演化到仿生应用的研究路径。报告不仅揭示了头足类动物变色伪装与触手控制的精妙策略，更启发我们重新思考智能的多样性、自我意识的演化以及“感知-行动”环路在生物体中可能存在的多种实现形式，为理解智能的本质和开发新型仿生技术提供了宝贵启示。
