어떤 기술은 학습이 더 어려운 이유

신경세포가 새로운 패턴을 만들어내야 하는 경우보다 기존의 활성 패턴을 재배열하기만 하는 경우에 학습(Learning )이 더 용이하다는 것이 원숭이를 대상으로 한 연구에서 확인되었다. 이 연구에서는 뇌 세포 네트워크의 전기적 활성에 대한 기록(recordings)을 통해서 뇌의 학습 능력(capacity)이 조사되었다. 뇌를 조사하여 박스(기존의 학습)를 벗어나 생각하는 것이 왜 그리 어려운 지를 이해한 것 같다는 것이 피츠버그대학교(University of Pittsburgh) 바디스타(Aaron Batista) 교수의 말이며, 이들의 연구 결과는 학술지 Nature 에 실렸다.

사람의 뇌에는 860억 개에 가까운 신경세포가 있으며, 이들은 매우 정교한 연결 네트워크를 통해 소통한다. 학습하는 동안 이들 세포가 어떻게 같이 작동하는가에 대한 이해는 하나의 도전일 수 있는데, 이 연구팀은 두 가지 혁신적인 기술, 즉 뇌- 컴퓨터 인터페이스(Brain-computer interfaces )와 기계학습을 결합하여, 원숭이가 컴퓨터 커서를 이동시키는 학습을 할 때 원숭이의 뇌에서 뉴런들 간의 활성 양상을 조사했다. 이는 학습과정의 근거가 되는 신경학적 패턴을 이해하는데 있어 근본적인 진전이라고 한다. 이번 발견은 결국 뇌졸중을 비롯한 다른 생경적 장애에 대한 새로운 치료법 개발로 이어질 것이라고 한다.

뇌-컴퓨터 인터페이스는 생각이 액션으로 전환되는 것을 보기 위한 것이다. 외과적으로 삽입된 작은 전극을 통해 수백의 뉴런에서의 전기적 활성이 동시에 모니터될 수 있다. 컴퓨터는 그 전기적 신호들을 외부 기구를 움직이라는 명령으로 전환시킨다. 뇌-컴퓨터 인터페이스는 건강한 뇌의 기능 연구뿐만 아니라 환자를 돕기 위해 개발되고 있다. 이 진화하는 기술은 뇌 연구에 있어 강력한 도구로, 학습에 대한 신경적 원리(basis of learning)를 보여줄 뇌 회로의 역동성을 연구하는데 도움이 된다고 한다.

이번 연구에서 연구자들은 두 동물에서 뇌-컴퓨터 인터페이스를 이용하여 운동피질에서 학습을 조사했는데, 운동피질은 운동을 조절하는 뇌의 영역이다. 이들이 기록한 뉴런의 발화양상(firing patterns)은 컴퓨터 커서를 조절하는데 이용되었다. 동물이 모니터 상에 지정된 지점(designated spot)으로 커서를 이동시키는 것을 학습함에 따라, 컴퓨터는 기계학습을 이용하여 뇌 세포의 활성을 커서 이동으로 지도화하는데 이용했다. 기계학습은 컴퓨터가 학습하고 그의 명령을 기존의 경험적 데이터에 근거하여 지속적으로 조정하는 하도록 프로그래밍하는 방법이다. 이 경우에서 기계학습은 동물과 컴퓨터 간에 피드백 루프를 만들었고, 루프는 생각을 통해 커서를 움직이는 동물의 능력을 개선시켰다.

넷픽스(미국영화대여업체)가 기계학습을 이용하여 우리가 보고 싶어하는 영화를 예측하는 것과 마찬가지로, 기계학습을 이용하여 학습 동안 뇌가 생성하는 활성 패턴을 특성화하는 것이라고 한다. 그리고 마침내, 각 동물에서 기록되는 뉴런들의 합주(ensemble)가 자연적이거나 호의적인 작은 세트의 발화패턴을 가진다는 것이 확인되었는데, 연구팀은 커서를 움직이는데 이용되는 이 작은 세트의 패턴을 “고유 매니폴드(intrinsic manifold)”라고 불렀다. 고유 매니폴드가 결정된 다음, 신경활성과 커서의 움직임 간에 지도는 재프로그래밍되었다. 예를 들어, 어떤 발화패턴이 원래는 커서를 스크린의 정상(top)으로 움직이게 했다면, 인터페이스는 커서를 아래로 이동시키게 된다. 그러고 나서 동물들이 적절한 신경활성을 만들어 그러한 변화를 상쇄시킬 수 있는지 여부가 관찰되었다.

그 결과, 원숭이들은 고유 매니폴드 안의 패턴을 새로운 방식으로 이용할 수 있는 경우는 커서를 이동시키는 방법을 쉽게 다시 배우지만, 인터페이스가 고유 매니폴드 외부의 신경 활성 패턴을 요구하는 경우는 학습을 더 어려워한다는 것이 발견되었다. 뇌가 우리가 새로운 것을 학습하는 속도를 제한하는 것으로 보였다고 한다. 그 제한은 어떤 기능(skills)이 학습하기 더 쉬운지 그리고 어떤 것이 더 오래 걸릴지를 예측하는 것을 가능하게 할 수도 있다. 사람의 경우, 고유 메니폴드를 벗어나는 사고(thinking)는 신경활성에 더 어려운 변화를 필요로 하는 것으로 추정된다고 한다.

출처:http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?is_cd_2_s=01&issue_no_s=3&record_no=250104&cont_cd=GT&is_cd_1=IS01&is_cd_2=01&is_cd_3=3
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-08/nion-spi082714.php

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