인공신경망(artificial neural network)이라고 불리는 컴퓨터 신경망 모델에서 수 감각 가상 뉴런 활성화가 확인됐다.

AI 일반적인 작업인 이미지 객체식별 훈련 네트워크는 특정한 수에 반응하는 가상 뉴런을 자체 개발한 것으로 보인다. 이 가상 뉴런은 사람, 새, 꿀벌 및 다른 생물 등 이미지 세트의 항목 수를 측정할 수 있는 능력을 지닌 “수 감각 뉴런”을 연상시킨다.

수를 판단하는 임무에서 AI는 사람이나 동물과 비슷한 수 감각을 보였다. 해당 논문은 사이언스 어드벤스(Science Advances)지 5월 8일 온라인에 게재됐다.

이 발견은 인공 신경망 숫자 뉴런(number neurons)이 명확한 지시 없이도 스스로 수 감각이 가능하다는 통찰을 제시한다. 이 연구는 동물이 어떻게 수 감각을 익히는지를 연구하는 과학자에게도 도움이 될 수 있다.

독일 튀빙겐대(University of Tübingen) 신경생물학자 안드레아스 니더(Andreas Nieder)와 동료들은 이미지 세트 사진에서 동물과 차량과 같은 물체를 인식하도록 인공 신경망을 훈련하기 위해 약 120만 개의 레이블 된 이미지 라이브러리를 사용했다.

연구자들은 AI에 1 ~ 30 개의 도트가 포함된 도트 패턴을 제시하고 다양한 인공 뉴런 층이 어떻게 반응하는지 기록했다. 일부 뉴런 층은 특정 수의 점으로 패턴을 볼 때 더 활동적이었다.

예를 들어, 두 개의 점에 일부 뉴런이 강하게 활성화되고, 20개 점에는 반응하지 않았다. 반대의 경우도 마찬가지였다. 뉴런이 특정 숫자를 선호하는 정도는 원숭이 뉴런에서 보인 이전 데이터와 거의 동일했다.

연구팀은 새로운 인공지능 프로그램에 이전에 원숭이에게 제시했던 도트 이미지를 제시했다. 이들은 하나, 홀수 개의 도트가 있는 이미지와 2개에서 30개(하단) 인 짝수 개의 도트 이미지로 구성됐다. 원숭이 두뇌의 숫자 뉴런과 마찬가지로 AI 가상 뉴런은 특정 개수의 점을 표시 할 때 우선적으로 활성화됐다. 원숭이 두뇌에서와 같이, AI에서도 큰 숫자보다 작은 숫자서 반응하는 가상 뉴런이 많았다.

creit:K. NASR, P. VISWANATHAN 및 A. NIEDER / SCIENCE ADVANCES 2019.

AI의 수 뉴런이 동물과 같은 수 감각을 갖추고 있는지 테스트하기 위해 연구팀은 도트 패턴 쌍을 제시하고 패턴에 같은 수의 점이 있는지 물었다.

인공 지능은 81%의 정확도를 보였다. 인간과 원숭이가 유사한 작업을 수행하는 것처럼 잘 수행했다. 인간이나 다른 동물처럼 AI도 매우 비슷한 수의 점들과 점들이 많은 패턴을 구별하기 위해 애썼다.

콜롬비아대(Columbia University) 신경과학자 엘리아스 이사(Elias Issa)는 이 발견이 특정 작업을 위해 훈련하면서 AI가 여러 기술을 습득 할 수 있는 방법에 대한 “매우 훌륭한 시연”이라고 설명했다.

이 신경망 내에서 수 구분이 어떻게 그리고 왜 발생했는지는 아직 분명하지 않다. 니더와 동료들은 인공 지능에서의 숫자 감각의 출현은 생물학자들이 인간 아기와 동물이 교육 없이도 수 감각을 획득하는 것을 이해하는 데 도움이 된다고 본다. 니더는 기본 숫자 감각이 시각 시스템의 아키텍처에 연결돼 있다고 추측했다.

파도바(Padova)의 이탈리아 국립연구위원회(National Research Council)의 전산 신경과학자 일버린 스토아노브(Ivilin Stoianov)는 이 인공지능과 동물 두뇌의 수 감각 사이에 그런 직접적인 평행점이 있음을 확신하지 못했다.

인공지능은 분류된 많은 그림을 훈련하는 과정에서 숫자 감각을 익혔다. 이는 아기와 야생 동물이 세상을 이해하는 법과는 다를 수 있다. 미래의 실험은 강화학습처럼, 생물학적 뇌가 어떻게 학습하는지를 모사한 AI 시스템에서도 이 같은 숫자 뉴런이 출현 하는지를 조사할 예정이다.

* K. Nasr, P. Viswanathan and A. Nieder. Number detectors spontaneously emerge in a deep neural network designed for visual object recognitionScience Advances. Published online May 8, 2019. doi: 10.1126/sciadv.aav7903.