고등 인지 기능의 자발적 발생 원리
고등 인지 기능의 자발적 발생 원리
  • 함예솔
  • 승인 2021.01.12 16:50
  • 조회수 256
  • 댓글 0
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KAIST 바이오및뇌공학과 백세범 교수 연구팀이 학습 과정을 전혀 거치지 않은 신경망에서 고등 시각 인지 기능이 자발적으로 발생할 수 있음을 보였다고 밝혔습니다. 해당 연구는 'Science Advances'에 게재됐습니다. 

심층 신경망에서 무작위적인 계층적 연결 구조를 통해 자발적으로 발생하는 수량 선택성을 묘사하는 삽화. 출처: KAIST
심층 신경망에서 무작위적인 계층적 연결 구조를 통해 자발적으로 발생하는 수량 선택성을 묘사하는 삽화. 출처: KAIST

이번 연구 결과는 신경망에서 상위 인지 기능을 발생시키기 위해서는 반드시 충분한 데이터 학습이 필요하다는 기존의 상식과 완전히 상반되는 것으로, 현재 통용되고 있는 인공지능의 구현 방식에 대한 근본적인 의문을 던집니다.

 

또한 연구팀의 결과는 다양한 생물 종의 뇌에서 관측되는 선천적인 인지 기능의 발생에 대한 설명 가능한 이론을 제시할 뿐만 아니라, 뇌신경과학 연구의 가장 근본적인 질문 중 하나인 '인지 지능의 발생 및 진화'의 원리에 대한 기존과는 전혀 다른 새로운 시각을 제시합니다. 

 

데이터 학습 하지 않아도 숫자 감각이 발생한다?!

 

연구팀은 뇌의 시각 신경망을 모사한 인공신경망 시뮬레이션을 통해, 모든 연결 가중치가 무작위로 정해지도록 초기화된 신경망이 전혀 학습을 거치지 않은 상태에서도 특정 숫자에 선택적으로 반응하는 '수량 선택성'을 자발적으로 생성함을 발견했습니다. 또한 이렇게 자발적으로 발생한 수량 선택적 유닛은 실제 동물의 뇌에서 발견되는 수량 선택적 뉴런들이 보이는 '베버-페히너 법칙' 등의 주요 특성을 동일하게 따름을 확인했습니다. 

  • 베버-페히너 법칙(Webber-Fechner law)

자극과 감각 사이의 상대적 관계를 나타내는 심리물리학적 법칙입니다. 인지 가능한 자극 강도 변화량은 현재 강도에 지수적으로 비례한다는 것으로 이는 인지생물학에서 기본적인 원리로 알려져 있습니다.

신경망에서 인지 지능의 발생에 관한 연구는 뇌인지과학과 인공지능 분야 모두에서 핵심적인 연구 주제 중 하나입니다. 흥미롭게도 인지 기능을 발생시키기 위해서 일반적으로 많은 양의 데이터 입력을 통한 학습 과정을 거쳐야 하는 인공신경망과 달리 동물의 뇌는 태어난 직후부터 다양한 인지 기능을 수행하는 '선천적' 인지 지능을 가지고 있는 것이 관찰돼왔습니다. 

다양한 동물의 행동에서 관측되는 숫자 감각을 묘사하는 사진. 출처: KAIST
다양한 동물의 행동에서 관측되는 숫자 감각을 묘사하는 사진. 출처: KAIST

이러한 차이점은 생물학적 지능의 발생과 진화의 원리를 이해하는 데 결정적입니다. 현재 개발된 인공지능과의 차이점을 보여주는 핵심적인 단서를 제공할 것으로 기대되는데요. 이러한 인지 기능이 어떻게 자발적으로 발생하는지는 아직 명확하게 알려진 바가 없었습니다.

 

이에 연구팀은 학습을 거치지 않은 신경망의 초기 상태에서 나타나는 단순한 물리적 구조 특성이 다양한 인지 기능을 발생시킬 수 있을 것으로 예상했습니다. 이를 확인하기 위해 수행한 심층신경망 시뮬레이션 연구를 통해 모든 연결 가중치가 무작위로 초기화된 신경망에서도 '계층 구조'와 무작위적 피드 포워드 연결만 형성된다면 특정 수량에 선택적으로 강한 반응을 보이는 신경망 유닛들이 자발적으로 생성됨을 확인했습니다.

무작위로 초기화된 심층신경망에서 자발적으로 발생하는 수량 선택적 신경망 유닛. 출처: KAIST
무작위로 초기화된 심층신경망에서 자발적으로 발생하는 수량 선택적 신경망 유닛. 출처: KAIST

이러한 신경망 유닛들은 실제 뇌에서 발견되는 수량 선택적 신경세포의 주요한 성질들과 유사한 특성을 보였습니다. 이 결과는 생물학적 뇌에서 생애 초기에 발견되는 선천적인 숫자 선택성 역시 동일한 원리에 의해 발생할 가능성을 시사합니다. 

 

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

 

연구팀의 결과는 학습과 훈련에 의존해 대부분의 뇌 기능이 발생한다는 기존의 시각을 탈피해, 선천적이고 자발적으로 발생하는 뇌 기능에 대한 보다 심도 있는 연구가 필요하다는 사실을 시사합니다. 한편으로 현재의 인공지능 구현 기법들과 완전히 다른 인공지능 구현 원리를 제시할 수 있는 생물학적 뇌 기반 이론을 제시합니다.

백세범 교수. 출처: KAIST
백세범 교수. 출처: KAIST

 

 

 

 

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 언급했습니다.

 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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