O polvo possui nove cérebros: um central e um minicérebro independente em cada um dos seus oito braços.

O sistema nervoso dos cefalópodes, especialmente do polvo comum (Octopus vulgaris), é um dos mais complexos entre os invertebrados. Com aproximadamente 500 milhões de neurônios, a distribuição celular é o que realmente impressiona os cientistas. Apenas cerca de 180 milhões de neurônios estão localizados no cérebro central em formato de anel, enquanto o restante reside nos gânglios dos braços.Estudos realizados por pesquisadores da Universidade Hebraica de Jerusalém demonstram que os braços do polvo podem realizar movimentos reflexos complexos mesmo quando desconectados do cérebro central. Cada braço possui sensores táteis e químicos independentes, permitindo que ele 'saboreie' o que toca e decida se deve agarrar ou soltar um objeto. Essa arquitetura neural permite que o animal processe uma enorme quantidade de dados sensoriais simultaneamente.A evolução dessa estrutura descentralizada é uma resposta à falta de um esqueleto rígido, o que exige um controle motor extremamente refinado para os graus de liberdade infinitos de seus membros. Em 2015, o sequenciamento do genoma do polvo revelou uma expansão massiva de genes chamados protocaderinas, que ajudam na fiação de circuitos neurais complexos. Isso explica como esses animais conseguem resolver quebra-cabeças e usar ferramentas com tamanha eficiência.