KAIST, 인지 기능 자발적 발생 원리 규명..'학습 안한 초기에도 기초 기능 존재'

무작위로 초기화된 심층신경망에서 자발적으로 발생하는 수량 선택적 신경망 유닛

한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 백세범 바이오 및 뇌공학과 교수팀이 학습 과정을 전혀 거치지 않은 신경망에서 고등 시각 인지 기능이 자발 발생할 수 있음을 보였다고 4일 밝혔다.

이번 결과는 신경망에서 상위 인지 기능을 발생시키기 위해서는 반드시 충분한 데이터 학습이 필요하다는 기존 상식과 완전히 상반되는 것이다. 뇌에서 관측되는 선천 인지 기능 발생에 대한 이론을 제시할 뿐만 아니라, 인지 지능의 발생 및 진화 원리에 대한 새로운 시각을 제시한다.

동물의 뇌는 태어난 직후부터 다양한 인지 기능을 수행한다. 선천적 인지 지능을 가진다. 반면에 인공신경망은 학습 과정을 거쳐야 인지 기능을 발생시킬 수 있다.

연구팀은 학습을 거치지 않은 신경망 초기 상태에서 나타나는 단순 물리 구조 특성이 다양한 인지 기능을 발생시킬 수 있을 것이라 예상했다.

초기화된 신경망에서도 '계층 구조'와 무작위적 피드 포워드 연결만 형성된다면 특정 수량에 선택적으로 강한 반응을 보이는 신경망 유닛들이 자발적으로 생성됨을 확인했다.

연구팀은 뇌 시각 신경망을 모사한 인공신경망 시뮬레이션을 통해 모든 연결 가중치가 무작위로 정해지도록 초기화된 신경망이 '수량 선택성'을 자발 생성함을 발견했다. 이 성질은 학습 없이 특정 숫자에 선택적으로 반응하는 것을 뜻한다. 또 이렇게 발생한 수량 선택적 유닛은 실제 동의 뇌에서 발견되는 수량 선택적 뉴런들이 보이는 '베버-페히너 법칙' 등 주요 특성을 보임을 확인했다. 이는 생물학적 뇌에서 생애 초기에 발견되는 선천적인 숫자 선택성 역시 동일한 원리에 의해 발생할 가능성을 시사한다.

이 결과는 기초적인 인지 기능이 신경망 초기 구조가 갖춰진 시점에 이미 존재하고, 이후 다양한 학습을 통해 조절될 수 있음을 보여준다. 뇌신경과학의 중요한 화두 중 하나인 '지능의 선천적 혹은 후천적(nature vs. nurture) 형성'에 관해 매우 중요한 단서를 제공하는 발견으로 평가된다.

연구팀의 연구 결과는 학습과 훈련에 의존해 대부분의 뇌 기능이 발생한다는 기존의 시각을 탈피해, 선천적이고 자발적으로 발생하는 뇌 기능에 대한 보다 심도 있는 연구가 필요하다는 사실을 시사한다. 또 현재 인공지능(AI) 구현 기법들과 완전히 다른 AI 구현 원리를 제시할 수 있는 생물학적 뇌 기반 이론을 제시한다.

백세범 교수는 “뇌 신경망 연구를 통해 얻은 아이디어를 인공신경망 연구에 적용하고, 그 결과를 다시 뇌과학적 원리를 발견하는 데 사용해 중요한 통찰을 가능하게 한 의미있는 연구”라며 “뇌신경과학과 뇌공학 분야 모두에서 가장 중요한 질문 중 하나라고 할 수 있는 인지 지능의 기원에 대한 이해의 전환점을 가져올 것으로 기대된다”고 언급했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com