수량 많고 적음 비교하는 능력, 안 배워도 뇌에서 저절로 생긴다?

KAIST, 심층신경망 구조에서 시각적 수량 비율 인지 능력 자발적 발생 증명

어느 쪽에 먹이 또는 포식자가 많이 있는지 아는 능력은 동물의 생존에 중요한 역할을 할 것이다. 이렇게 수량의 많고 적음을 비교하는 능력은 배우지 않고도 날 때부터 저절로 알게 되는 것일까?

동물의 행동에서 관측되는 수량 비교 기능을 묘사하는 사진 (사진=KAIST)

KAIST(총장 이광형)는 뇌인지과학과 백세범 교수 연구팀이 인공신경망 연구를 통해 선천적 수량 비교 능력이 자발적으로 형성되는 원리를 설명했다고 7일 밝혔다.

주어진 사물들의 수량을 비교하는 기능은 동물이나 인간의 생존에 필수적이다. 동물 그룹 간 다툼, 사냥, 먹이 수집 등 많은 상황에서 주어진 변수들의 수량 비율이나 차이에 따라 의사결정 및 행동이 달라져야 하기 때문이다.

학습을 거치지 않은 어린 개체들의 행동을 관찰한 결과를 토대로 수량 비교 능력이 두뇌의 선천적 기능이라는 가능성이 제기됐지만, 이러한 능력이 학습 없이 발생하는 원리는 아직 알려지지 않았다.

백세범 교수 연구팀은 두뇌를 흉내낸 인공신경망 모델을 활용, 학습이 전혀 이뤄지지 않은 심층신경망 구조에서 시각적 수량 비율 및 차이 정보를 인지하는 기능이 자발적으로 발생할 수 있음을 보였다. 또 두 수량의 비율과 차이라는 서로 다른 종류의 정보를 비교하는 기능이 하나의 공통적 발생 원리로부터 파생될 수 있다고 설명했다.

이 연구는 학술지 '셀 리포츠(Cell Reports)'에 최근 게재됐다.

두뇌 모사 신경망 모델에서 수량 비교 기능의 자발적 발생을 설명하는 그림 (자료=KAIST)

연구팀은 전혀 학습을 거치지 않은 신경망에서 두 수량의 비율과 차이에 선택적으로 반응하는 개별 신경세포가 자발적으로 발생하는 것을 발견했다. 초기화된 심층신경망에 다양한 비율 혹은 차이를 가지는 시각적 수량 정보가 주어졌을 때, 이에 선택적으로 반응하는 신경세포들이 다수 발견됐다.

이들로부터 측정된 신경 활동은 실제 동물 실험에서 관측된 신경 활동 특성과 유사했다. 또 연구팀은 이를 이용하여 지금까지 보고되어 온 동물들의 수량 비교 행동 특성을 상당 부분 재현할 수 있음을 확인했다.

이에 더해 연구팀은 수량 비교 기능 신경세포 회로 구조의 발생 원리를 계산신경과학적 모델을 통해 설명하고 검증했다. 신경망에서 발견된 비율 및 차이 선택적 신경세포의 특징적 연결 구조를 분석, 특정 값에 대한 선택성이 신경망 하위 계층에서 자발적으로 발생된 단순 증가나 단순 감소 신경 활동의 결합을 통해 형성될 수 있음을 보였다.

또 이러한 신경 활동이 증가 또는 감소할 때 관찰되는 비선형성의 타입에 따라 각각 수량 비율 또는 수량 차이를 인지하는 신경세포로 분화될 수 있음을 확인했다.

이러한 결과들을 통해 학습이 전혀 이뤄지지 않은 두뇌에서 비율 및 차이 인지와 같은 선천적 수량 비교 기능이 발생하는 원리에 대한 근본적 이해를 제시했다고 연구진은 설명했다.

백세범 교수는 "이번 연구는 상당한 정도의 학습 과정이 필요할 것이라 여겨지던 두뇌의 수량 인지 및 비교, 연산 기능이 어떤 학습도 이뤄지지 않은 초기 두뇌의 구조에서 자발적으로 발생할 수 있음을 보이는 연구"라며 "발생 초기 신경망의 구조적·물리적 특성으로부터 다양한 선천적 고등 인지 기능이 발생할 수 있음을 시사한다"라고 밝혔다. 뇌신경과학뿐 아니라 새로운 개념의 인공지능 연구에도 의미있는 방향을 제시할 수 것으로 연구진은 기대했다. 

이번 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업 및 원천기술개발사업, KAIST 특이점교수 사업의 지원을 받아 수행됐다