인간·동물 생존에 필요한 선천적 수량 비교 원리 찾아

KAIST, 뇌의 선천적 수량 비교 원리 규명
심층신경망 구조에서 인지 능력 자발적 발생 증명

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 숫자를 세는 등 뇌의 선천적 인지기능들이 학습이나 훈련 없이 스스로 발생할 수 있다는 연구결과를 내놓았다.

한국과학기술원(KAIST)은 백세범 뇌인지과학과 교수 연구팀이 두뇌에서 발견되는 선천적 수량 비교 능력이 자발적으로 형성되는 원리를 설명했다고 7일 밝혔다.

백세범 KAIST 뇌인지과학과 교수.(사진=KAIST)

동물이나 인간이 사물들의 수량을 비교하는 것은 생존에 필수적이다. 동물 그룹 간 다툼, 사냥, 먹이 수집 등 다양한 상황 속 변수들에 따라 의사결정이나 행동이 달라져야 한다.

그동안 학습을 하지 않은 어린 개체들의 행동을 관찰해 수량 비교 능력이 두뇌의 선천적 기능이라는 가능성이 제기됐지만, 이러한 능력이 학습 없이 발생하는 원리에 대해 설명하지 못했다.

연구팀은 두뇌 모사 인공신경망 모델을 활용해 학습을 전혀 하지 않은 심층신경망 구조에서 시각적 수량 비율, 차이 정보의 인지 기능이 자발적으로 발생할 수 있음을 증명했다.

연구팀은 전혀 학습을 거치지 않은 신경망에서 두 수량의 비율과 차이를 선택해 반응하는 개별 신경세포가 자발적으로 발생하는 것을 발견했다.

또 초기화된 심층신경망에서 다양한 비율이나 차이를 지닌 시각적 수량 정보가 주어졌을 때 선택적으로 반응하는 신경세포들을 발견했다. 이들을 측정한 신경 활동은 실제 동물 실험에서 관측된 신경 활동 특성과 유사했다.

연구팀은 수량 비교 기능 신경세포 회로 구조의 발생 원리를 계산신경과학적 모델로도 검증했다.

신경 활동이 늘어나거나 줄어들때 나타나는 비선형성 유형에 따라 각각 수량 비율, 수량 차이를 인지하는 신경세포로 분화될 수 있다는 사실도 확인했다.

백세범 교수는 “상당한 정도의 학습 과정이 필요할 것이라 여겨지던 두뇌의 수량 인지, 비교, 연산 기능이 어떤 학습도 하지 않은 초기 두뇌 구조에서 자발적으로 발생할 수 있음을 보여준다”며 “발생 초기 신경망의 구조적·물리적 특성으로부터 선천적 고등 인지 기능이 발생할 수 있음을 시사해 뇌신경과학 연구뿐 아니라 새로운 개념의 인공지능 연구에도 의미있는 방향을 제시할 수 있다”고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘셀(Cell)’의 온라인 자매지 ‘셀 리포츠(Cell Reports)’에 지난달 29일자에 게재됐다.

동물 행동에서 관측되는 수량 비교 기능을 묘사하는 사진.(사진=KAIST)

강민구 (science1@edaily.co.kr)