梁希同：第一次听到了乌贼的“心声”
梁希同也曾为《知识分子》撰稿多篇，解读最新科学进展。以下为他在《知识分子》发表的部分文章：
章鱼和乌贼都属于软体动物里的头足类，因为它们的腿都长在头上。那我们怎么区分它们呢？
我们可以根据它们有多少条腿来区分。章鱼一共有八条腿，平时喜欢独居，生活在浅海的海底。
而乌贼除了有八条差不多一样长的腿之外，还有两条特别长的触手。这两条长触手平时是可以卷起来收在口袋里的，所以你不一定能看到它们，
但是在捕食的时候，它们可以快速地弹射出来抓住远处的猎物，像这样——
我们常见的墨鱼、鱿鱼都属于乌贼，其中墨鱼和章鱼一样，是独居动物，生活在浅海的海底，也就是珊瑚礁周围，生活环境丰富复杂一些。
而鱿鱼的生活环境就比较单调，它们像鱼一样成群结队地在茫茫的大海里游泳，但它们游泳的方向和鱼是相反的——鱿鱼是通过向后喷水的方式倒退着游。
为什么我们要强调它们的生活环境不同呢？这和我们今天的主题有关，在后面我们还会再提到这个问题。
但是无论是章鱼、墨鱼还是鱿鱼，它们都是凶猛的捕食者，会捕食一切比它们小的鱼虾蟹贝。它们的一生都过着快节奏的生活——吃得多，长得快，寿命短。
常见的章鱼和乌贼的寿命只有一年左右，所以需要在短短几个月里快速长大。世界上最大的大王乌贼，也只需要一两年的时间，就可以长到一辆公共汽车那么长，生长速度相当惊人。
但我觉得章鱼和乌贼最神奇的地方，是它们拥有一个共同的技能——会变色。大家看，这只原本是黑色的章鱼，它可以瞬间变色，天衣无缝地和背后的珊瑚礁融为一体。
而且更神奇的是，这样的变色能力可以让同一只动物在不同的环境里变成不同的样子。这里的每一张图片里都藏着一只章鱼，大家能找到它在哪里吗？
我想即使我标出它们所在的位置，你也很难把它和背景环境区分开来。像这种以万变应万变的技能，使得它们尤其能够适应珊瑚礁这种丰富多彩的环境。
同样生活在这样环境里的墨鱼，也是变色高手。再来考验一下大家的眼力，你们能找到它在哪里吗？
乌贼会吓人！
乌贼的快速变色能力，除了用来隐藏自己以外，还可以用来和同类交流。比如说雄性和雌性会在身上变出不同的图案，作为爱情的信号。
像上面有鲜艳斑马花纹的就是一只雄性乌贼，下面这只图案比较斑驳的是雌性乌贼。当它们在约会的时候，如果出现第三者——另外一只拥有鲜艳斑马花纹图案的雄性，一场恶战就在所难免。
但是有时候你会看到一些比较滑稽的变色，比如中间这只乌贼，看起来像是人格分裂了，
它的左边身体变出了代表雄性气质的鲜艳斑马纹——为了吸引左边的雌性，但同时它的右半边身体伪装成了雌性的花纹，使得在右边远处观望的雄性乌贼以为它是雌性的，就不会来跟它打架了。
除了和同类交流之外，乌贼还会在捕猎的时候给猎物播放高速频闪动画来把猎物炫晕。
大家看这只乌贼，它在抓一只螃蟹。
它们还会通过变色来恐吓敌人。
这里它原本是试图模仿这个背景，
但是在我的同事向它招手的时候，它会突然先变白，然后再朝着手的那一侧变出一个黑色的眼点，这个眼点就像很多蝴蝶翅膀上的眼睛一样，都是用来吓人的。
那么乌贼和章鱼是怎么做到控制皮肤瞬间变色的呢？这是我正在研究的内容。
最聪明的无脊椎动物
为什么我们想研究章鱼和乌贼呢？这个世界上已知大概有150万种动物，各自生活在各种各样的环境里，有着千奇百怪的样子和生活方式。在如此庞大的生物类群里，无脊椎动物占了96%的种类。
但是目前绝大部分的生物学研究，都集中于以人类为中心的脊椎动物，特别是哺乳动物上，而这仅仅代表世界上千分之三的动物物种。在无脊椎动物中，被研究得比较多的是果蝇，这代表着物种最多的那个类群——昆虫。
章鱼和乌贼拥有的脑细胞数量和小猫差不多，它们的大脑占身体的比重接近于人类。它们会学习新的技能，会记住在迷宫里走过的路径，会使用工具。如果你把章鱼关在一个罐子里，它能很快找到办法从里面把这个罐子旋开。
这个正在和罐子里的章鱼抢夺一面镜子的人叫Graziano，这是两年前他为我们上课时的照片。
大概在30年前Graziano做过一个实验，他教章鱼蓝色的球代表有食物，白色的球代表没有食物，章鱼试过几次之后，就学会了这个规则，只要蓝色球出现，它就游过去吃。更神奇的是，与此同时在隔壁水缸的另外一只章鱼，它仅仅隔着玻璃观察到这个场景，也理解了这个规则。
这就说明以章鱼的智力水平，它不但可以通过自己的探索来进行学习，甚至还可以通过观察同类进行学习。这种可以理解同类并且从中学到规则的能力，也是我们人类构建社会和文化的一个基础。
无论是果蝇还是章鱼，它们大概在6亿年前在进化树上就已经和人分开了，那时我们的共同祖先是没有脑的蠕虫。
六亿年的时光，脑的进化沿着这三条不同的道路各自发展到了极致。通过比较这三种动物截然不同的大脑，我们一方面可以尝试了解复杂的大脑是如何进化出来的，另一方面我们还可以了解到除了人脑之外，还有什么样的结构可以产生智能。
比较这三种截然不同的大脑，会发现它们可能会采用完全一样的方式来实现同一个功能，比如说生物钟。我博士期间研究的是果蝇的生物钟如何控制它们每天的作息规律。
这一类其实是属于神经细胞最底层的架构，是在6亿年前的蠕虫祖先就已经有的。人们最先在果蝇里发现了控制生物钟的基因，后来发现包括人在内的所有动物其实都是用这些基因控制生物钟。
而我们比较这三种截然不同的大脑，可能会发现的另外一种情况是，它们会采用不一样的方式来实现同一个功能，比如说实现视觉。章鱼和人的共同祖先还没有进化出眼睛，它们俩在没有互相借鉴的情况下，各自从零开始发明出了眼睛。
如果你对比它们眼睛的结构，会发现章鱼和人类眼睛的解剖结构，和它呈现的物理原理几乎是一模一样的。
但如果再仔细看你会发现，在人和章鱼的眼睛里，感光细胞和背后的视神经纤维连接到大脑的走向其实是相反的。
这就说明它们是通过不同的途径，来构建起这样相似的眼睛结构。章鱼和人类眼睛结构的殊途同归，也就说明了这样的结构和原理，可能是目前为止生物进化发现的用来实现视觉的最优解。
但与此同时，实现这一功能的最优解可能不止一个，比如说果蝇就采用不同的方式来构造眼睛。
果蝇的复眼会给每一组感光细胞都装上一个透镜，相比于人和章鱼，果蝇眼睛的分辨率会比较低，但灵敏度会更高，视野也更广阔，这可能也是更符合果蝇需求的一种设计思路。所以说在有些情况下，实现同一种功能，不同的生物可能会采用不同的方式，我们称之为趋同演化。
比较这三种不同的大脑，我们可能还会遇到第三种情况，就是它们各自会有一些别人没有的功能，比如说章鱼的变色能力。在开始研究章鱼和乌贼之前，我曾养过一只变色龙。
但当我看到章鱼和乌贼变色的时候，我才发现变色龙的变色能力简直弱爆了，于是我决定要研究章鱼和乌贼的变色能力。
别再问我乌贼好不好吃了
目前我们实验室还没有办法大规模地养章鱼，所以我们在研究同样善于变色的一种墨鱼，叫做欧洲普通乌贼。那我们在实验室用的乌贼是从哪里来的呢？
我们先请渔民从大海里收集它们的卵。这些卵的直径大概一厘米，在实验室里发育一个月之后，你就可以透过透明的软壳看到还未出生的乌贼宝宝在里面翻滚，
出生之后还不足一厘米的乌贼宝宝就会变色了。
但其实乌贼也很难养，它一言不合就会朝你喷水、吐墨。它们只吃活的虾，而且吃得特别多，疫情期间为了持续供应它们吃活虾，我们也是大下血本，所以不要再问我它们好不好吃了，我实在舍不得吃它们，好不容易养大的。
它们吃得多，长得也快，出生一个月之后可以长大5倍，再过5个月还可以再长大5倍。
而且因为它们会变色来隐藏自己，所以我们一直无法确切地知道我们到底养了多少只乌贼——总有几只藏得太好，我们根本就找不到它们。
我们的实验进行得顺不顺利，其实得看乌贼的心情。如果它们心情好，就愿意配合我们工作。我们会给乌贼看不同环境的照片，看它如何改变自己身体的颜色、图案来隐蔽在这个环境里。比如说给它看一张沙滩的照片，它就会在身体上显示出像沙滩的纹理，
▲ 如果你还没有找到它在哪里的话，可以关注一下图片的右下角。
如果你给它看一张有很多鹅卵石的照片，它就会在身上变出像鹅卵石一样的图案。
如果背景里的鹅卵石比它自己还要大，它就会干脆变成一块光滑的鹅卵石。
但在实验室里，想要观察到乌贼变色的那个瞬间其实挺难的，我们也是失败了好多年才找到办法的。最开始做实验的时候，我们每次都把乌贼请到一个专门用来录像的小水缸里。
但它可能觉得这个小水缸的环境太陌生了，没有安全感，所以它不愿意在这里面变色。
于是后来我们专门建了一个有水循环系统的大水缸，把它们请到这里生活。
同时在这个水缸上方安装了由25个高清摄像头组成的相机阵列。这些相机安装在一个电动轨道上，当乌贼在里面游来游去的时候，相机是可以追着它跑的。
等到乌贼把大水缸当成自己的家之后，它就愿意在这里变色了。我们会试图改变大水缸里的环境来诱导乌贼变色，一开始我们想用投影仪，从下方把图像投影到水缸的底部，
但乌贼好像觉得这个光应该从天上来，而不是从脚底来，于是它识破了我们的诡计，并不愿意变色。
后来我们只能把不同的照片印在布上，然后把这块布铺到水缸底部，通过一个滚轴像切换舞台布景一样改变水缸底部的图案，
终于，乌贼肯配合我们变色了。这是我们在一次实验中记录到的乌贼变色的过程，当我们把布景换到一个沙滩布景时，你看它们会在身上变出沙子一样的纹理。
好不容易乌贼肯变色了，我们又遇到了另外一个问题。因为乌贼变色本来就是为了隐蔽在环境里，所以其实很难找到它们，那么怎样才能把乌贼从录像里面找出来呢？
我们训练了几个AI来识别录像中的乌贼，但乌贼实在是没有固定的样子，你给它看不同的背景，它总能变出一些新花样。今天训练好的AI，到明天可能就认不出是同一只乌贼了。
最后我们找到了Facebook目前最先进的图像识别AI，专门教它来认乌贼，好在这个AI最终表现还可以，准确率可以达到95%左右。
但接下来的问题就是，每只乌贼的相貌都是千变万化的，我们要怎么追踪它的变化，来比较它在不同时刻的模样有何不同呢？
我们还是把这个问题交给了AI，让AI来给乌贼每个时刻的外貌打一个分。图右边展示的是我们的AI认为的三个最重要的打分维度，然后当乌贼变色的时候，我们来看看AI的打分在这三个维度里会发生什么样的变化。
上图中左边的乌贼变出了一个白色方格，然后又消失，与此同时我们可以看到右边的打分轨迹，绕了一圈又回到了原点，但是它的去和回走的不是同一条路。这就说明白色方格消失的过程，并不是简单地把出现的过程倒带回放一下，相反地，它需要走一条不同而且更加崎岖的路径。
通过这样的轨迹分析，我们可以发现很多人眼看不出来的细节。比如我们发现，乌贼的变色其实是有一些限制的，不是它想怎么变就怎么变的，而是会沿着一些比较固定的路径。这也就向我们暗示了其实控制乌贼形成不同图案背后的机制，可能不会是极其复杂的，我们在有生之年或许还有望解答其中的奥秘。
潜入乌贼的大脑
那么，它是怎么在皮肤上形成这些图案的呢？如果你把乌贼的皮肤放大，
再放大，
可以看到它上面有很多很多的小点，每个点都是可以随意变大变小的色素细胞。这是放大后的乌贼的后背，
可以看到中间的区域比周围的区域要白一些，而且有明显的黑白的分界线，这是因为此时中间的色素细胞会比周围的色素细胞要小一些。当中间的这些色素细胞突然都变大的时候，你会看到中间那个白色区域就消失了。
所以乌贼的皮肤就像一个覆盖全身的显示器，而每一个色素细胞就相当于这个显示器上的一个像素点，乌贼皮肤上色素细胞的密度可以达到非常高的水平。我们的肉眼其实是看不到每一个色素细胞的，只能看到由它们组成的连续的图案。
而且这些色素细胞还会有不同的颜色，所以它们形成的图案也会有不同的颜色。
那么这些色素细胞为什么可以随意地变大变小呢？因为每一个色素细胞周围都被一圈辐射状的肌肉纤维所连接，
当这些辐射状的肌肉纤维收缩的时候，它的色素细胞就会变大。而乌贼的大脑通过控制这些肌肉纤维，就可以精确地控制每一个色素细胞的大小。
成年的乌贼体表可以有几十上百万个这样的色素细胞，乌贼要同时控制这上百万个色素细胞，就相当于一个人要同时控制一百万根手指，我们可以想象一下这个场景，它们的大脑为什么不会忙死呢？它们是如何做到的呢？
于是我们去测量了乌贼皮肤上每一个色素细胞大小的变化，
通过整合多个相机的图像，我们可以同步地追踪一整只乌贼身上几十万个色素细胞大小的变化。然后我们发现，其实乌贼变色的过程一般不是匀速的，它是走一步停一步。
比如它的这个变化过程就是要分成五步来走，每一步都会有几群色素细胞发生变化。
所以在这个过程中，大脑就是要在不同的时刻给不同组的色素细胞发出命令。那么它们大脑是怎么做的呢？为此我们试图潜入乌贼的大脑。
首先我们找到了控制色素细胞变大变小的这些运动神经元，它们主要集中在乌贼大脑后侧的这个区域，然后我们试图去记录这些运动神经元的活动，
历史上有不少人尝试过都没有成功，在我加入实验室之前，曾经有一位师姐在这个问题上研究了两年一无所获，正准备辞职。走之前她曾隐晦地劝我说，这是一个大坑，不要往里跳。
但当时我被乌贼冲昏了头脑，就毫不犹豫地跳进去了，跳下去才发现师姐诚不我欺，这真是一个大坑，坑底一片漆黑。
这可能就是研究一种从来没有人研究过的生物所要面对的，一切都要从零开始，遇到问题和困难也没有人知道要怎么帮助你。经过漫长的探索，终于有一天我看到了这个。
这是我第一次，也可能是人类第一次，从乌贼的脑中记录到了一个神经细胞的信号，那一刻感觉我好像可以听到乌贼的心声。后来我们用一种染料把神经活动转变成了荧光，这样你就可以同时看到几十上百个神经细胞在它脑海里闪烁。
我经常会盯着这样的录像看，虽然在那个坑底是一片漆黑，但我还可以抬头看到天上的星星在闪烁。
大乌贼 vs 小乌贼
为什么我们这么想要了解这些运动神经元呢？请大家来听一听下面这个故事。其实我们实验室还养了另外一种乌贼，叫做蜂鸟短尾乌贼，它们个头小一点，成年之后大概只有5厘米长，圆滚滚的，有一对小翅膀，非常可爱。
它们其实是属于鱿鱼的一种，大家可能还记得，鱿鱼的生活环境不像墨鱼那么丰富多彩，所以它们是不太会变色的，而是用另外一种方式来隐藏自己。
它们会在身上裹上一层沙子，然后待在水里不动，像一个个糯米糍，看起来很好吃的样子。两只小手还会时不时地往身上扒拉沙子，把自己埋得更好一些。
我们唯一见识过的它的变色就是从黑色变成白色，再从白色变成黑色，仅此而已。
所以我们就很好奇了，同样是乌贼，为什么小乌贼不能变成大乌贼那样繁复的花纹呢？
对比这两种乌贼我们发现，第一，大乌贼身上的色素细胞比小乌贼多得多；
第二，大乌贼的脑里控制变色的运动神经元，甚至比它身上的色素细胞还要多，而相反地，小乌贼脑里的运动神经元就很少，以至于每个运动神经元平均要控制好几个色素细胞。
而当我用电极去刺激运动神经元所在的这个脑区的不同位置时，你就可以看到，大乌贼的身体会有不同的区域变色。
这就说明这个大乌贼的脑中有一张自己身体的地图。而小乌贼则不同，刺激这个脑区的不同位置，几乎看到的都是一样的色素细胞的反应。
我们认为正是因为这种运动神经元对色素细胞控制的精细程度不同，所以这两种乌贼才有不同的变色能力。这就好比我们人类的大脑会给每一根手指都分配一个专属的区域来控制，但是没有专门给每一根脚趾分配，所以我们的脚趾就远不如手指灵活，就有点像小乌贼的控制方式。
通过这样的比较研究，我们不但可以知道它们的大脑是如何控制变色的，还可以进一步知道它们变色的技能是怎么进化出来的。
“你看错了我不是乌贼”
我们刚刚聊的是乌贼的皮肤如何改变颜色和图案，除此之外，其实乌贼和章鱼的皮肤还能进行三维变换。大家还记得吗？这是我们刚刚看到的那只章鱼，这是它从石头变回原形的过程。
对比前后你会发现，除了颜色不同之外，章鱼的体表还长出了很多刺，来模拟背景里珊瑚的形状。
它们的体表可以随意地控制皮肤上的突起，你看这只乌贼可以在背上生出这样的突起。
此外它们的触手和姿势也是伪装的一部分，比如它们很喜欢把手弯成旁边植物的样子，
还会根据背景里面条纹的角度把手举到不同的高度，特别好玩。
除了模仿背景里不会动的东西之外，我觉得最最神奇的是，它们还会乔装成别的动物的样子，模仿别的动物的动作。你看这只乌贼，它假装自己是一只寄居蟹。
直到它遇到了另外一只也乔装成寄居蟹的乌贼，
它俩才又变回了原形。
还有这种叫做拟态章鱼的章鱼，它经常在野外被目击到装作不同动物的样子。比如说它会把自己压扁，装作一只比目鱼，
或者它会张牙舞爪地冒充有剧毒的那种狮子鱼，
或者它会把自己的身体藏在洞里，只伸出两只手，连起来，装作一条海蛇。
最后的最后，如果它们的一切伪装都被识破，它们还有最后一招，就是吐墨逃跑。这是我在实验室里用手机拍到的一个场景。
一只大概只有2厘米长的幼年乌贼，它张牙舞爪地倒挂悬浮着，好像在模仿一个海葵，当它发现我在看它的时候，它就吐出一团墨跑了。
大家再看，这一团墨的大小和它自己的大小差不多，而且乌贼会在吐墨的瞬间变透明，然后靠着吐墨的反作用力向右逃窜，而我们的注意力都会被那团墨，也就是这个乌贼的替身吸引到左边去。
此外，乌贼还有另外一种吐墨方式，就是大量地吐墨，把整个水域都染成黑色，它自己也变黑，这样你也找不到它在哪里。
看了这么多它们隐身和易容的技能，大家可能想要问，为什么它们如此热衷于隐藏自己？
其实其他的软体动物，比如说蜗牛、扇壳，它们都会用硬壳来保护自己，但是乌贼和章鱼它们选择抛下重重的壳，过上快节奏的自由自在的生活。失去了壳的保护，它们反而学会了用变色来隐藏自己。
乌贼眼里的世界
刚才我们讨论的只是乌贼变色的一半过程——它的大脑是如何控制皮肤的，但是乌贼要想通过变色来隐藏在环境里，首先它要看到环境是什么样的，然后才能根据环境的样子变身。
我们可以先想一下，人类的眼睛是如何把一个物体从它的背景里识别出来的呢？我们的大脑会对看到的图像进行加工，然后提取出一些重要的视觉信息，比如说颜色、亮度、纹理、颗粒度等等。如果从某一个区域提取出的这些视觉信息和周围的背景不一致，我们就会把这个区域识别成一个和背景不同的物体。
而乌贼想要骗过我们的眼睛，首先要做的同样也是先提取出那些我们的大脑特别在意的视觉信息，然后它要反其道而行之，使用这些视觉信息在它自己的身上生成一个图案。
所以乌贼不需要完全复刻背景的图案，它只需要重现那些我们的大脑特别在意的关键信息，我们就会被它迷惑了。从某种意义上来说，乌贼比我们更加了解我们的视觉系统，研究它们的视觉也可以帮助我们理解人类的视觉。
而且除了人类之外，绝大部分动物不会告诉你它看到了什么，因为它不会说话，你可能永远无法知道动物眼里的世界和我们眼里的世界有什么不同。
但是因为乌贼要变色来融入环境里，所以它看到的世界是什么样，它就会变成什么样，它心中的所思所想非常诚实地实时显示在它的身体上，这就给了我们一个极其难得的机会，可以去窥探动物的内心世界。
那么我们要怎么研究乌贼的视觉呢？我们做了一个简单的实验，来了解乌贼对大小的判断。我们给乌贼看这个黑白格子，当乌贼看到这个背景的方格大小接近于它身上可以变出的那个方格大小的时候，它就会在身上变出一个白色方格。
然后我们给乌贼看各种大小不同的方格，如果它觉得格子太大或者太小，它都不会在身上变出方格。
然后我们就想问，它会在什么时候决定变还是不变呢？于是我们就给它看了一系列差别更小的黑白格子。现在从左到右，背景里的黑白格子是依次变小的，但我们给它看的时候这个顺序是打乱的。
在三次不同的实验里，你会发现乌贼的反应非常神奇，它永远是在中间红线的这个点决定是否要变出白色方格。
但是如果对比中线的左边和右边，我们会发现背景里黑白格子的大小，它们的差别其实非常非常微妙，我几乎看不出来区别。
但是乌贼就可以，而且它还觉得这个区别事关重大。通过这样的实验，我们或许就可以理解更多乌贼关于这个世界的看法。
最终我们想知道，乌贼的大脑如何从看到的图像中识别出关键的信息，然后用这个关键的信息在皮肤上生成一个对应的图像。这个过程在理论上就有点像深度学习领域经常用的一个叫自动编码器的人工神经网络，可以用来从复杂的数据里提取出关键的信息，比如从有很多噪点的图像中识别出数字来。
现有的AI算法通常需要大规模的数据训练，但乌贼一出生就可以完美地变色，它不需要经过学习，所以我们猜测它们肯定有一些我们还不知道的办法，可以来实现这些功能。因此研究乌贼的大脑或许可以帮我们改进现有的AI算法。
将来当我们最终理解了乌贼和章鱼如何变色，或许我们就可以造出让人隐身的光学迷彩，
或者我们可以造出《终结者2》里面的反派——可以随意改变外形的液态金属机器人（这个其实是我的童年阴影），
或者甚至可以获得像《X战警》里面的这种可以随意变脸的超能力。
今天我们谈到了乌贼和章鱼千变万化的行为，但最后我还想让大家再来看看这张图。
章鱼和乌贼只是这个庞大世界里很小的一角，在生物进化树上还有千千万万种神奇的生物，在各自的角落里过着我们难以想象的丰富多彩的生活。
我们研究的领域叫做神经动物行为学，这个领域里有很多重要的发现，都是来自于研究不同动物的特异功能，比如说研究蝙蝠如何用回声定位，研究小鸟如何学习唱歌，研究会放电的鱼如何用电波进行交流，研究蚂蚁如何建立起社会分工，等等等等。
我希望未来有更多的人可以不仅仅是关心和研究与人类有关的问题，有更多的人可以走向更广阔的世界，去拥抱这个世界的多样性，去感受研究不同生物所带来的惊喜。
谢谢大家。