- 자연지능의 이해, 인지장애 진단 및 효율적 인공지능 개발을 위한 영장류 뇌 정보처리 메커니즘 발견 -
[연구필요성]
정보처리 리소스를 쉽게 추가할 수 있는 인공지능(예:서버증설)과는 달리 뇌는 두개골 안에서 제한된 자원을 사용함. 따라서 뇌는 제한된 수의 뉴런을 최대한 효율적으로 활용하여 세상의 다양한 정보를 처리해야 함. 뇌의 효율적 정보처리 과정은 인지과정과 인지장애를 이해하고, 효율적 인공지능을 개발하는데 핵심지식임.
[연구성과/기대효과]
1. 성과: 세상 물체들은 좋고 나쁜 가치를 지니고 있고, 동물은 그 가치를 기반으로 생존에 가장 유리한 선택을 함. 그동안 영장류 인지신경과학에서는 시각 가치 연구에만 집중함. 본 연구에서는 시각 가치 연구의 틀을 벗어나 손끝 촉각 가치와 시각 가치 인코딩 메커니즘을 세계 최초로 규명하고, 뇌의 효율적 정보처리 과정을 밝힘. 특정 프랙탈 그림 혹은 특정 점자를 선택했을 때 보상이 주어지는 가치 학습 패러다임으로 가치기억 인코딩 기전을 규명. 기능성자기공명영상법(fMRI) 결과와 전기생리학 결과를 분석한 결과, 뇌 심부에 있는 1)조가비핵(putamen)에 촉각과 시각에 대한 가치기억이 인코딩되며, 촉각과 시각 가치 정보에서 2)의사선택에 핵심 정보인 가치정보만을 추출하는 뉴런을 발견함, 이 정보추출 뉴런이 포함되면, 3)더 적은 수의 뉴런을 사용하여 의사결정이 가능함. 이를 통해 가치정보를 추출해 최소한의 뉴런으로 가치를 판단하고, 여분의 뉴런은 다른 기능을 할 수 있게 하는 효율적 정보처리 뇌 기전을 세계 최초로 규명.
2. 기대효과: 중요 정보를 추출해 효율적 의사선택을 가능하게 하는 뇌 기전은 자연지능 작동원리를 제공할 뿐만 아니라, 이를 응용하여 효율성 높은 인공지능 개발에 사용될 수 있음. 또한, 핵심정보추출 뇌 회로의 문제는 조현병 및 자폐증에서 나타나는 정보일반화오류의 원인이 될 수 있으며, 이 핵심정보추출 기전은 정신질환을 진단 및 치료하는데 핵심지식이 될 것임.
[본문]
기능향상을 위해 서버증설과 같이 리소스를 추가할 수 있는 인공지능과 달리 우리 뇌는 두개골 안의 제한된 숫자의 뉴런을 사용하여 정보를 처리해야 함.
제한된 수의 뉴런을 이용하여 세상의 다양한 정보를 처리하기 위해 우리의 뇌는 한정된 자원을 효율적으로 사용하는 메커니즘이 필요함.
또한, 지금까지 영장류 인지신경과학 연구는 시각 중심 연구들이 주를 이루었음.
그러나, 인간을 포함한 영장류는 손의 촉각을 이용하여 어떤 물체인지 인지하고 그 가치를 판별하나, 손끝으로 판단된 촉각가치 뇌 기전 연구는 전 세계적으로 매우 미비함.
서울대 생명과학부 김형 교수와 심리학과 이수현 교수 연구팀은 공동으로 영장류의 ‘핵심정보추출 뇌 회로’를 밝히고, 이를 통해 의사선택을 효율적으로 수행한다는 사실을 세계 최초로 규명함.
서울대 연구팀은 인간 참여자와 영장류 동물모델에게 촉각 물체인 점자와 시각 물체인 프랙탈 그림을 보여주고 선택 시 돈을 받는 좋은 물체와 나쁜 가치인 아무 것도 주지 않는 나쁜 물체들로 그룹을 나눠서 물체들을 기억하도록 함.
좋은 물체와 나쁜 물체를 기억하는 동안 기능성자기공명영상법(fMRI)과 뉴런활성을 직접 측정하는 전기생리학 방법을 통해 촉각가치기억을 인코딩하는 뇌 영역을 동정하고, 촉각과 시각가치기억이 어떻게 뇌에서 효율적으로 처리되고 있는지 측정함.
촉각과 시각 물체들의 가치기억을 측정하는 인지행동 패러다임을 통해 뇌 활성을 분석한 결과, 영장류 뇌에서 1)시각가치와 촉각가치기억은 뇌 심부에 위치한 조가비핵(putamen)에서 인코딩되고 있음을 최초로 밝혔으며, 2)촉각가치와 시각가치에서 좋은 물체선택에 핵심정보인 가치기억만을 추출하는 뉴런들이 존재함을 규명했음. 더 나아가 뉴런 시뮬레이션을 통해 3)이 핵심정보추출 뉴런들이 포함된 뇌 회로는 더 적은 수의 뉴런으로 다양한 정보를 처리할 수 있는 양적 효율성을 확보할 수 있다는 사실을 세계최초로 규명함.
조가비핵의 대다수의 단일뉴런들은 촉각물체와 시각물체의 가치를 따로 인코딩하는 것이 아닌, 두 가지 가치에 모두 반응하여 어떤 감각이든 상관없이 가치만을 추출하는 ‘핵심정보추출 뉴런’임을 밝힘.
특히 핵심정보 추출 뉴런 결과를 디코딩 시뮬레이션을 통해 분석하여, 핵심정보추출 뉴런들이 많이 포함되어 있을수록 물체 가치를 판단하는 총 뉴런의 수는 감소함을 규명했음. 이는 물체 가치 판단에 사용되지 않는 여분의 뉴런 수를 증가시켜 다양한 다른 정보 처리에 사용할 수 있는 효율성 확보에 가장 좋은 최고의 전략인 것을 인지신경생물학적으로 밝힘.
본 연구를 통해 인간을 포함한 영장류의 조가비핵 뇌 회로가 의사선택의 핵심정보인 가치기억을 추출한다는 사실을 규명했으며, 핵심정보 추출 뇌 회로의 발견은 자연지능에 대한 이해의 폭을 넓힐 뿐만 아니라, 더 효율적인 인공지능 개발에도 적용될 수 있음.
또한, 본 연구를 통해 발견된 촉각가치를 인코딩하는 영장류 뇌 회로는 현재 뇌-기계연결(Brain-Machine Interface, BMI)에서 촉감을 느끼는 로봇 손 개발을 뛰어넘어 촉각가치 기반 의사선택이 가능한 로봇 손 개발에 핵심지식으로 사용될 수 있음.
더 나아가 조현병 환자나 자폐증 환자에서 발견되는 핵심정보 추출을 통한 일반화 오류의 원인을 규명하고, 정신질환을 진단 및 치료할 수 있는 완전히 새로운 지식적 기반을 마련함.
이번 연구는 김형교수와 이수현교수의 총괄 아래 황성환 박사, 박도영 박사, 이지우 박사과정생의 주도로 중견연구자지원사업과 뇌질환극복사업, 글로벌-LAMP 프로그램 등의 지원을 받아 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 2024년 10월자로 온라인에 게재되었다.
[연구결과]
Convergent representation of values from tactile and visual inputs for efficient goal-directed behavior in the primate putamen
Seong-Hwan Hwang, Doyoung Park, Ji-Woo Lee, Sue-Hyun Lee & Hyoung F. Kim
(Nature Communications, in press), https://www.nature.com/articles/s41467-024-53342-x)
리소스를 손쉽게 추가할 수 있는 인공지능과는 다르게, 뇌는 두개골 안에서 제한된 수의 뉴런을 사용하여 세상의 다양한 정보를 처리하고 있음. 본 연구에서는 학습된 촉각과 시각물체의 가치기억을 바탕으로 물체를 선택하는 인지행동 패러다임을 이용하여 뇌 활성을 측정하였으며, 영장류 뇌 심부의 1)조가비핵(putamen)에서 촉각가치기억과 시각가치기억을 모두 인코딩하고 있음을 규명했으며, 흥미롭게도 2)하나의 뉴런이 이 두 가치기억을 모두 인코딩하여 의사선택에 핵심정보인 가치기억만을 추출한다는 사실을 밝혔다. 더 나아가, 3)발견된 핵심정보추출 뉴런이 더 많이 포함될수록 가치를 처리하는 총 뉴런의 수는 감소하여 더 적은 수의 뉴런으로 의사선택이 가능한 양적 효율성을 확보하게 됨을 세계 최초 인지신경생물학적으로 규명함. 핵심정보추출 뉴런의 존재와 조가비핵 회로는 제한된 수의 뉴런을 이용하는 자연지능의 작동원리를 이해하고, 더 효율적인 인공지능을 개발하는데 기여할 것임. 또한, 촉각가치 인코딩 기전은 촉감인식 수준을 넘어 그 촉각 가치를 기반으로 로봇 손을 제어하는 뇌-기계 연결 개발에 핵심지식으로 사용될 수 있음. 더 나아가, 조현병, 자폐증과 같은 정신질환에서 발견되는 핵심정보추출 이상증상을 이해하고 진단 및 치료하는데 새로운 중요 기반 지식이 될 것임.
[그림설명]
핵심정보추출 뉴런을 통한 자연지능의 양적 효율성 확보: 시각으로 가치를 판단하는 프랙탈 물체와 손끝 촉각으로 가치를 판단하는 점자 물체를 제시하여 각 물체의 좋고 나쁨을 판단하는 인지행동패러다임을 수행하여 가치를 판단하는 뇌 영역을 분석하였다(왼쪽과 중간 그림). 시각 가치와 촉각 가치 모두 뇌 심부에 위치한 조가비핵(putamen)에서 인코딩됨을 기능성자기공명영상을 사용하여 발견하였다(빨간색 활성화 영역) (왼쪽 그림). 조가비핵 뉴런의 반응을 전기생리학을 이용하여 측정한 결과, 단일 뉴런이 시각과 촉각, 감각 입력에 상관없이 가치정보만을 추출하여 인코딩하고 있음이 규명되었다(왼쪽 그림, 노란상자). 이를 통해 조가비핵에 입력되는 뇌 회로에서 핵심정보추출 뉴런에 의해서 가치정보가 추출되고 있음을 알 수 있었다(중간그림). 더 나아가 디코딩 시뮬레이션을 통해 핵심정보추출 뉴런이 포함된 뇌 회로는 병렬처리 뇌 회로와 비교했을 때 더 적은 수의 뉴런을 이용하여 효율적 의사결정을 하고 있다는 사실을 인지신경생물학적으로 규명하였다(오른쪽 그림). (중간 그림 설명) 시각 정보와 촉각 정보는 착즙기로 비유된 뇌의 조가비핵 회로를 통해 가치 정보라는 엑기스를 추출하여 의사 결정을 수행한다. 이를 통해 감각 정보에 상관없이 가치는 일반화되며, 뇌는 추출된 가치 정보만을 사용하여 적은 수의 뉴런으로도 효율적으로 물체를 선택할 수 있게 된다. 본 연구에서 발견된 핵심정보추출 뉴런을 이용한 양적 효율성 확보 기전은 뇌의 자연지능 이해뿐만 아니라, 뇌 모사 인공지능 개발에도 중요한 기반지식이 될 것이다. 더 나아가 촉각가치를 기반으로 선택이 가능한 뇌-기계 연결 로봇 손 개발과 조현병, 자폐증 등에서 나타나는 핵심정보추출 이상증상인 일반화 오류 증상을 이해하는데 완전히 새로운 영장류 뇌 회로 지식을 제공할 수 있다.