지능의 비밀 '공부 안해도 숫자 감각은 발생'

데이터를 전혀 학습하지 않은 심층신경망에서 숫자 감각 발생
인지 지능의 발생과 진화 원리에 대한 새로운 시각 제시

다양한 동물의 행동에서 관측되는 숫자 감각을 묘사하는 사진

[아시아경제 황준호 기자] 물체의 수량을 파악하는 숫자감각은 우리 뇌의 고등 인지 기능 중하나다. 인간·원숭이·까마귀 등 다양한 동물에서 발견할 수 있는 감각인데, 이 감각이 학습 과정을 전혀 거치지 않고 자발적으로 발생할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 상위의 인지 기능을 위해 반드시 충분한 데이터를 확보해야 한다는 기존 상식과 반대되는 연구 결과인 것이다. 연구팀은 현재 인공지능 구현 방식에 대한 근본적인 의문을 제기할 수 있는 연구 결과가 될 것으로 예상했다.

백세범 한국과학기술원 바이오및뇌공학과 교수의 연구팀은 4일 인공 신경망을 통해 이 같은 연구 성과를 거둬, 국제학술지인 사이언스 어드밴시스에 최근 실었다고 밝혔다.

심층 신경망에서 무작위적인 계층적 연결 구조를 통해 자발적으로 발생하는 수량 선택성을 묘사하는 삽화

연구팀은 학습을 거치지 않은 신경망의 초기 상태에서 나타나는 단순한 물리적 구조 특성이 다양한 인지 기능을 발생시킬 수 있을 것이라 예상했다. 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 확인했다.

이렇게 자발적으로 발생한 수량 선택적 유닛은 실제 동물의 뇌에서 발견되는 수량 선택적 뉴런들이 보이는 '베버-페히너 법칙' 등의 주요 특성을 동일하게 따름을 확인했다. 베버-페히너 법칙은 감각기관에서 자극의 변화를 느끼기 위해서는 처음 자극에 대해 일정 비율 이상의 자극 변화가 발생해야 한다는 법칙이다.

백세범 KAIST 바이오및뇌공학과 교수

연구팀은 이번 연구 결과가 기초적인 인지 기능이 신경망의 초기 구조가 갖춰진 시점에 이미 존재하고 이후 다양한 학습을 통해 조절될 수 있음을 보여준다고 밝혔다. 이어 뇌신경과학의 중요한 화두 중 하나인 '지능의 선천적 혹은 후천적 형성'에 관해 매우 중요한 단서를 제공하는 발견으로 평가된다고 덧붙였다.

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"라고 언급했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr