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Il cervello dei pesci è poco sviluppato e primitivo. Sono invece molto sviluppati i lobi olfattivi e ottici. Notevole perfezione caratterizza il cervelletto, che coordina tutti i movimenti del pesce. Questo organo è particolarmente sviluppato nei pesci migratori e nei grandi nuotatori.
Privi di un'efficiente orecchio esterno, i pesci 'sentono' le vibrazioni attraverso l'orecchio interno, formato da due cavità che contengono liquido serioso e corpuscoli calccarei che ne determinano l'equilibrio. I pesci sono sensibili agli odori grazie a delle papille sparse nella parte anteriore del corpo, più ancora che per mezzo delle fosse nasali.
La capacità visiva dei pesci è assai ridotta rispetto a quella di altri animali. le immagini catturate dall'occhio infatti sono impresse non sulla retina, ma posteriormente ad essa. Questo impedisce ai pesci di percepire contorni netti, ma li rende in grado di osservare bene i movimenti.
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