Nature：论伪装，墨鱼是专业的

　　近日，德国马克斯普朗克脑研究所和日本冲绳科学技术大学院大学的科学家发现，墨鱼产生伪装图案的方式比之前认为的要复杂得多。

　　

墨鱼与章鱼、鱿鱼等其他头足类动物一样，都是伪装大师，它们会改变皮肤的颜色和质地，以融入水下环境。

近日，德国马克斯普朗克脑研究所和日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的科学家发现，墨鱼产生伪装图案的方式比之前认为的要复杂得多。这项成果于6月28日发表在《Nature》杂志上。

墨鱼通过精确控制数百万个微小的皮肤色素细胞（chromatophores.），产生令人眼花缭乱的皮肤图案。每个色素细胞的周围有一组肌肉，这些肌肉在大脑神经元的直接控制下收缩和放松。当肌肉收缩时，色素细胞扩张，当肌肉放松时，色素细胞就会隐藏。在色素细胞的共同作用下，皮肤产生不同的图案。

OIST计算神经行为学部门的负责人Sam Reiter教授表示：“之前的研究表明，墨鱼只有有限的图案成分可供选择，它们可以利用这些图案来实现与环境的最佳匹配。但我们最新的研究表明，它们的伪装反应要复杂得多，也灵活得多——我们只是无法发现它，因为之前的方法没那么详细，也无法定量。”

为了深入分析这些图案，研究团队使用了一组超高分辨率的照相机来放大欧洲墨鱼（Sepia officinalis）的皮肤。他们给墨鱼提供了一系列不同的背景。当墨鱼在不同的伪装图案之间转换时，照相机实时捕捉到数万到数十万个色素细胞的扩张和收缩。

随后将大约20万张皮肤图案图像的数据交由OIST的超级计算机处理，并通过一种被称为神经网络的人工智能进行分析。神经网络从整体上观察皮肤图案图像的不同元素，包括粗糙度、亮度、结构、形状、对比度和更复杂的图像特征。然后，将每种图案放在“皮肤图案空间”中的特定位置，这是科学家们创造的一个术语，用来描述墨鱼产生的全部皮肤图案。

研究人员还使用同样的过程来分析背景环境的图像，并观察皮肤图案与环境的匹配程度。

总的来说，研究人员发现墨鱼能够呈现出丰富多样的皮肤图案，并且能够灵活地改变它们的皮肤图案，以适应天然和人工背景。当同一只动物多次出现在相同背景下时，所产生的皮肤图案也会有微妙的差异，且人眼无法分辨。

令人惊讶的是，墨鱼并不是直达每个皮肤图案的。墨鱼在一系列不同的皮肤图案之间转换，在中途短暂停留，并不断改善，直到最后稳定在一种它们似乎满意的图案上。即使是两个相同的背景，这样的转换路径也从不相同，强调了墨鱼行为的复杂性。

共同第一作者、马克斯普朗克脑研究所的研究生Theodosia Woo表示：“墨鱼并不是简单地检测背景并直接进入一个设定图案，相反，它们可能会不断收到有关其皮肤图案的反馈，并利用它来调整自己的伪装。它们究竟是如何接收反馈的——通过眼睛，还是说它们能够感受到色素细胞周围的肌肉是如何收缩的——我们还不知道。”

研究人员还研究了另一种皮肤图案，称为变白（blanching），当墨鱼对威胁做出反应时，会出现变白的情况。马克斯·普朗克脑研究所的Dominic Evans博士表示：“与伪装不同，变白是快速而直接的，这表明它使用了一种不同且可重复的控制系统。”

当研究人员拍摄变白后的高分辨率图像时，他们意识到之前伪装图案的一些元素仍然存在，只是在上面叠加了变白图案。之后，墨鱼会缓慢地恢复到它变白之前的皮肤图案。

共同第一作者、马克斯·普朗克脑研究所的Xitong Liang博士解释说：“这表明最初伪装的信息以某种方式保留了下来。变白更像是一种暂时覆盖大脑伪装信号的反应，可能是由大脑中完全不同的神经回路控制的。”

下一步，研究人员打算捕捉墨鱼大脑中的神经活动，这样就可以确切了解它们究竟是如何控制其独特而迷人的皮肤图案的。

原文检索

Woo, T., Liang, X., Evans, D.A. et al. The dynamics of pattern matching in camouflaging cuttlefish. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06259-2