Le poulpe possède neuf cerveaux : un cerveau central et un mini-cerveau autonome dans chacun de ses huit bras.

Le système nerveux des céphalopodes, particulièrement celui du poulpe (Octopus vulgaris), est l'un des plus complexes du règne invertébré. Il compte environ 500 millions de neurones, soit une quantité comparable à celle d'un chien. Cependant, la répartition de ces cellules nerveuses est atypique car seulement un tiers se situe dans le cerveau central en forme de beignet entourant l'œsophage.Les deux tiers restants sont répartis dans les ganglions brachiaux situés à la base de chaque bras. Des recherches menées par l'Université hébraïque de Jérusalem ont démontré que ces mini-cerveaux permettent aux bras d'exécuter des programmes moteurs complexes de manière autonome. Un bras sectionné peut par exemple continuer à saisir de la nourriture ou à éviter des obstacles pendant plusieurs heures grâce à ses réflexes locaux.Cette décentralisation offre un avantage évolutif majeur pour la survie en milieu marin. Elle permet au poulpe de traiter une quantité massive d'informations sensorielles simultanément sans saturer son cerveau central. Chaque ventouse possède ses propres récepteurs chimiques et tactiles, transformant chaque tentacule en un organe sensoriel et moteur ultra-performant capable de prendre des décisions locales immédiates.