한국과학기술원(KAIST) 뇌인지과학과 백세범 교수 연구팀과 NYU 신경과학과 최우철 박사가 뇌의 선천적 인지 기능들이 학습이나 훈련 없이 신경망의 구조적 특성으로부터 자발적으로 발생하는 원리를 규명했다고 밝혔다.

학습을 거치지 않은 어린 개체들의 행동 관찰로부터 수량 비교 능력은 두뇌의 선천적 기능이라는 가능성이 제기됐지만 이러한 능력이 학습 없이 발생하는 원리에 대한 설명은 아직 제시되지 않았다.

이에 연구팀은 두뇌 모사 인공신경망 모델을 활용해 학습이 전혀 이뤄지지 않은 심층신경망 구조에서 시각적 수량 비율 및 차이 정보의 인지 기능이 자발적으로 발생할 수 있음을 증명했다.

연구팀은 두 수량의 비율과 차이라는 서로 다른 종류의 정보를 비교하는 기능이 하나의 공통적인 발생 원리로부터 파생될 수 있다고 설명했다.

연구팀은 우선 전혀 학습을 거치지 않은 신경망에서 두 수량의 비율과 차이에 선택적으로 반응하는 개별 신경세포가 자발적으로 발생하는 것을 발견했다.

또 초기화된 심층신경망에서 다양한 비율 혹은 차이를 가지는 시각적 수량 정보가 제공됐을 때 이에 선택적으로 반응하는 신경세포들이 다수 발견되며 이들로부터 측정된 신경 활동은 실제 동물 실험에서 관측된 신경 활동 특성과 매우 유사함을 확인했다.

연구팀은 이를 통해 지금까지 보고되어 온 동물들의 수량 비교 행동 특성을 상당 부분 재현할 수 있음을 확인했다.

이 밖에도 연구팀은 수량 비교 기능 신경세포 회로 구조의 발생 원리를 계산신경과학적 모델을 통해 설명하고 검증했다.

백세범 교수는 “이번 연구는 상당한 정도의 학습 과정이 필요할 것이라 여겨지던 두뇌의 수량 인지 및 비교, 연산 기능이 그 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 시사함으로써 뇌신경과학 연구뿐 아니라 새로운 개념의 인공지능 연구에도 의미 있는 방향을 제시할 수 있을 것이라 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 'Cell Reports'에 게재됐다.