[인공지능] 뇌에 관하여

지금까지 우리는 ‘지능’에 대해 알아보았다. (이전 포스팅을 참조하자)

그렇다면 이번에는 뇌의 구조와 기능을 살펴보도록 하자. 지능과 뇌 사이에는 깊은 관계가 있기 때문이다. 마지막으로는 뇌와 신체의 연관성에 관해서도 소개할 것이다. 많은 사람들은 지능이라는 단어를 듣고 ‘뇌’를 연상하겠지만, ‘신체도’ 지능에 있어서 빼놓을 수 없는 존재이다.

 

< ’똑똑한’ 동물은 뇌도 크다? >

생명은 약 40억 년 전에 생겨났고, 다세포 생물은 10억 년쯤 전에 탄생했다. 단세포 생물에서 다세포 생물로 진화하게 됨녀 각각의 세포는 역할을 갖고 분업을 시작하여 장기 등을 형성하게 된다. 그리고 이렇게 생겨난 것 중 하나가 바로 뇌이다.

 

<뇌의 중량과 체중의 관계성>

이처럼 뇌의 중량과 체중의 관계에 착안한 수치로써 ‘대뇌화 지수(Encephalization Quotient=EQ)’라는 것이 있다. 위에서 소개했던 ‘감정 지능(Emotional quotient)’과 명칭이 비슷해서 햇갈리기 쉽지만, 이쪽은 ‘신체 중 얼마만큼이 뇌에 해당하는가’를 나타내는 값이다. 단, EQ는 지능을 직접 나타내는 수치가 아니라는 점을 주의해야 한다.

<포유류의 대뇌화 지수(EQ)>
1.     사람 : 7.4~7.7
2.     큰돌고래 : 5.3
3.     흰이마카푸친(원숭이) : 4.8
4.     꼬리감는 원숭이 : 2.4~4.8
5.     여우 : 1.6
6.     개 : 1.2
7.     고양이 : 1
8.     쥐 : 0.5

 

<뇌의 3가지 구성요소>

뇌는 크게 나누어 대뇌, 소뇌, 뇌간의 3부분으로 구성되어 있다.

[ 대뇌 ]
‘고차원 기능’에 관련된 부분이다. 구체적으로는 운동이나 언어, 판단, 행동, 그리고 감각의 통합 등을 담당한다. 이뿐만이 아니라 기억(단기기억 및 장기기억)과 감정 등도 담당한다.
[ 소뇌 ]
주로 운동, 학습과 관련되어 있다. 특히 수의 운동(‘움직이자’는 의식을 해서 움직이는 운동) 과 관계가 있으며, 몸짓 등의 기억을 담당한다. 머리에서 그리는행동과 실제 행동을 비교해서 동작을 조정하는 것 또한 소뇌이다.
[ 뇌간 ]
타고난 욕구(본능)와 생명 활동을 담당하고 있으며, 체온 조절이나 호흡 등을 제어한다. 그리고 신경을 매개로 신체의 다양한 운동을 제어하기도 한다.

 

<인간 지능의 비밀>

인간은 대뇌가 특히 크게 발달했다. 인간 외의 동물들은 대뇌가 그렇게까지 크지 않으므로 인간 특유의 지적능력은 대뇌와 관계되어 있다고 볼 수 있다.

대뇌는 뇌를 구성하는 몇 가지 요소 중 하나이지만, 이 대뇌 또한 여러 부분으로 구성되어 있다. 사람의 대뇌 중 가장 진화한 부분은 제일 바깥쪽에 위치한 ‘대뇌 신피질’이다.

대뇌 신피질은 주름진 모습을 하고 있는데, 주름을 펴면 신문지의 1면 혹은 A4용지 4장을 펼쳐놓은 정도의 넓이가 된다. 좁은 두개골 내에서 많은 표면적을확보하기 위해서 이렇게 주름이 져있다.

 

인간의 대뇌 신피질에는 약 100억 개 이상의 뉴런(신경세포)이 존재한다.

[뉴런 : 다른 뉴런들과 연결되어 정보를 서로 전달하는 세포]

한쪽의 뉴런에서 다른 쪽의 뉴런으로 뻗어 나가는 부위를 ‘축삭’이라고 하는데, 이부위의 길이는 수 mm에서 긴 것은 1m정도 된다.

하나의 뉴런은 대략 1만 개의 뉴런과 연결되어 있는데 이를 통해 뉴런 1개가 처리하는 정보량이 엄청나다는 것을 알 수 있다. 

심지어 뉴런의 배선 수는 100조를 넘어가므로 모든 배선을 해독하려면 긴 시간이 걸린다.

사람의 유전자 배열을 해석한 것을 ‘인간 게놈’, 사람의 뉴런 배선은 ‘인간 커넥톰’이라고 한다. 이처럼 복잡한 신경 회로망인 인간 커넥톰이 인간의 정보처리를 지탱하고 있기 때문에, 인간 커넥톰이 해명되었을 때 인간의 뇌에 대한 모든 것이 밝혀질 수 있다.

 

<’딥러닝’은 뉴런에서부터 시작되었다>

인공지능이 주목을 받게 된 계기라고 할 수 있는 ‘신경망(딥러닝)’은 앞서 언급했던 뉴런끼리의 연결에서 착안한 것이다. 최근의 딥러닝에는 수많은 뉴런이 이용되고 있으며, 뉴련의 접속 수 또한 억 단위로 올라가며 사람의 뉴런에 근접해가고 있다.

 

<뇌 전체의 특징 3가지>

1.     기능 국소화

이는 뇌의 각 부분이 각자 다른 기능을 담당하고 있다는 사고방식이다.

기능 국소화를 입증하는 부위로 ‘브로카 영역’이 있다. 브로카 영역은 좌뇌(뇌의 좌측)의 앞부분(전두엽)에 존재하며, 이 부분에 장애가 있는 사람은 언어를 이해할 수는 있어도 말을 하지 못한다.

또한 ‘베르니케 영역’이라는 부분은 좌뇌의 측면(측두엽과 두정엽의 경계)에 있는데, 이 부위에 장애가 있는 환자는 말을 할 수는 있어도 상대방의 말을 이해하지 못한다. 이처럼 뇌는 각 부위에 따라 담당하는 기능이 다르다.

2.     기능 연계

다양한 연구에 따라, 뇌는 각 부위에서 차례대로 정보를 전달하는 과정을 통해서 단계적으로 정보를 처리하고 있다는 것이 밝혀졌다. 먼저 한 곳에서 1차 처리를 하고 다음 곳에서 2차 처리를 한 뒤, 그 다음 곳에서 3차 처리를 수행하는 식이다.

예를 들어 물체를 보게 되면 망막의 자극이 전기신호가 되어서 뇌의 시각 피질로 보내진다. 시각 피질에서는 단계적으로 ‘기울기’나 ‘윤곽, ‘색’등의 개별적인정보를 처리하고 최종적으로는 눈 앞에 있는 물체 전체를 지각하게 된다.

3.     공통 구조

대뇌 신피질은 컬럼 구조로 이루어져 있다.

[컬럼 : 특정한 단순 자료형의 일련의 데이터 값과 테이블에서의 각 열을 말한다. = 어떤 영역에서의 열을 말함.]

각각의 컬럼은 높이가 2mm, 지름이 0.5mm 정도이고 그 안에 1만 개 정도의 뉴런이 들어 있다. 또한 이 컬럼 각각이 6층으로 이루어져 있으며, 피질 대부분에서 이와 같은 구조를 볼 수 있다. 즉, 뇌는 PC에서 하드웨어와 같다고 보면 된다.

 

<환경으로부터 정보를 읽다>

신체는 환경과의 상호작용에 따라 행동을 다양하게 변화한다. 이것을 ‘체화된 인지과학’이라고 한다.

체화된 인지과학은 예시로써 설명할 수 있다. 개미가 사막위에서 구불구불하게 매우 복잡한 경로로 걸어가는 경우가 있다. 하지만 만약 개미의 신장이 1m였다면 이렇게 복잡하게 움직이지 않을 것이다. 모래의 존재 자체를 무시하고 똑바로 걸어갈 것이다. 이것이 바로 신체와 환경과의 상호작용이다. 이처럼 개미가 사막에서 보이는 복잡한 움직임은 개미의 작은 신체와 사막과의 상호작용으로부터 생겨난 지적 행동인 것이다.

로드니 브룩스는 체화된 인지과학이라는 분야의 창시자이며, 로봇 청소기인 ‘룸바’를 개발하였다. 룸바는 장애물에 부딪히지 않으며 청소를 하는데, 이는 룸바의 신체와 환경과의 상호작용에 따라 생겨난 것이다.

 

이정도면 인공지능을 위한 뇌와 지능의 기초 정보를 습득했다고 할 수 있다.

다음 포스팅부터는 인공지능의 기초 지식에 대해 같이 공부하는 글을 쓰고자 한다.