어쩌다 인공지능

#1. 생물학적 뉴런의 작동 원리

여러분들은 인공지능을 공부하기 이전부터 이런 생각 안 해보셨나요? 인간의 두뇌를 닮은 컴퓨터를 만들면 편하겠다. 인공지능의 초기모델들이 바로 인간의 뇌의 작동원리에 대한 이해를 바탕으로 나옵니다. 바로 인공 뉴런(artificial neuron), 인공두뇌(artificial brain), 전자두뇌(electronic brain)에 대한 모델입니다.  우선 비슷한 용어들이 많이 나와서 사전과 위키백과를 중심으로 개념정리부터하고 들어가겠습니다.

• 전자두뇌 : electronic brain. (사전) 전자를 이용한 높은 정밀도의 기계류에서 그것을 조작하는 컴퓨터 따위의 중추. 계산이나 논리적 판단 따위의 기능을 갖는 컴퓨터를 뇌에 비유하여 이르는 말. 1950년대 퍼셉트론이 처음 등장했을때 이를 두고 Electronic "Brain"이라고 뉴욕타임즈가 헤드라인을 작성하기도 했음 

• 인공두뇌 : artificial brain or artificial mind. (사전) 사람의 머리가 하는 활동과 비슷한 일을 하는 기계나 기구. 컴퓨터나 전자계산기 따위를 말함 
  (위키백과) 동물이나 인간의 두뇌와 유사한 인지 능력을 가진 소프트웨어 및 하드웨어

• 인공 뉴런 : artificial neuron. (위키백과) 신경해부학적 사실을 토대로 하여 고안된 간단한 연산기능만을 갖는 처리기. 인공 뉴런은 신경망 인 생물학적 뉴런의 모델로 생각되는 수학적 함수. 인공 뉴런은 인공 신경망의 기본 단위

• 인공 신경망 : artificial neural network(약어 ANN). 인공 신경망은 기계학습과 인지과학에서 생물학의 신경망(동물의 중추신경계중 특히 뇌)에서 영감을 얻은 통계학적 학습 알고리즘. 인공 신경망은 시냅스의 결합으로 네트워크를 형성한 인공 뉴런(노드)이 학습을 통해 시냅스의 결합 세기를 변화시켜, 문제 해결 능력을 가지는 모델 전반을 가리킴

일단 최초의 인공 뉴런에 대해서 알려면, 뇌와 신경세포(뉴런)에 대한 기본적 이해를 해야합니다. 인간의 경우 성인의 뇌 무게는 약 1,400g ~ 1,600g 정도(어떤 곳에서는 평균적으로 1.2 ~ 1.4kg 가량으로 표시함. 성인 몸무게 60kg ~ 70kg을 기준으로 신체의 2% 정도의 중량)입니다. 사람의 뇌는 대뇌, 소뇌, 뇌간의 3부분으로 구분됩니다. 대뇌는 감각과 수의 운동의 중추일 뿐만 아니라 기억이나 판단 등 정신활동의 중추입니다. 대뇌의 바깥층은 뉴런의 신경세포체가 모여 회색을 띠고 있어 회백질이라 불리고 안쪽 층은 신경섬유가 모여 있고 흰색을 띠고 있어 백질이라 불립니다. 물론 뉴런은 뇌간에도 있습니다. 뉴런(neuron)은 뇌의 구성 요소로써 신경계를 구성하는 세포입니다. 뉴런은 신경 계통의 구조적ㆍ기능적 단위입니다. 다른 말로는 "신경 세포" 혹은 "신경원"이라고도 합니다.  

사람의 뇌는 출생 시 600억 ~ 1,000억 개의 뉴런이 만들어져 있고(성인 기준으로 통상 1000억 개), 뇌에는 수 많은 뇌세포들이 존재하는데 이 중 약 10% 정도는 뉴런이 차지합니다. 뉴런에는 감각 뉴런(혹은 구심성 뉴런, Sensory Neuron), 연합 뉴런(혹은 중간 뉴런, Interneuron), 운동 뉴런(혹은 원심성 뉴런, Motor Neuron) 이렇게 크게 세 가지 종류가 있는데, 겉모습과 역할에 따라 분류합니다. 

뇌와 척수는 연합 뉴런으로 이루어져 자극의 처리와 가공을 담당하므로 중추신경계로 분류합니다. 뇌는 움직임, 행동 대부분을 관장하고, 신체 항상성을 유지하며 인지, 감정, 기억, 학습 등을 담당합니다. 뇌 활동은 목표에 도달하기 위해 서로 연결된 뉴런의 상호 연결에 의해 가능합니다. 연결된 뉴런의 그룹을 "신경 회로(neural circuit)"라고 합니다. 뇌에 기억이 저장되는 방식에 대해서는 여전히 연구가 진행 중이지만, 대부분의 연구자들이 추정하기로는 '뇌세포 간의 연결 상태가 바로 기억입니다'라고 합니다.  뇌가 크다고 지능이 높은 것은 아니며, 신경회로의 설계가 더 큰 영향을 준다는 것이 대체적인 중론입니다. 

뉴런은 시냅스라는 특수 연결을 통해 다른 세포와 통신하는 전기적으로 흥분 할 수 있는 세포입니다. 전형적인 뉴런은 세포체, 수상돌기 및 단일 축삭으로 구성 됩니다. 수상돌기는 다른 뉴런의 축삭 말단에서 신호 형태로 정보를 받는 광범위한 가지입니다. 뉴런과 뉴런은 "시냅스(synapse)"라는 특수한 구조를 통해서 신경전달을 매개하게 됩니다. 시냅스(synapse)는 "연접", 혹은 "신경 접합부"라고도 말합니다. 하나의 뉴런의 축삭돌기의 말단(축삭 말단)과 다른 뉴런의 수상돌기가 만나는 곳으로, 뉴런과 뉴런 사이의 접합하는 부위를 말합니다. 시냅스는 뉴런들이 전기적(Electrical) 또는 화학적(Chemical) 신호를 서로 주고 받으며 흥분이 전달되는 구조적 장소라고 볼 수 있습니다. 각각의 뉴런은 다른 뉴런과 약 1천 개 ~ 1만 개의 시냅스를 형성하여 다중 연결구조를 형성합니다. 따라서 수 백조 이상(어떤 곳에서는 10의 16승, "경" 단위 수준으로 이야기 함)의 시냅스가 포함됩니다.

생물학적 뉴런의 작동 원리를 살펴보겠습니다. 신경전달은 하나의 뉴런에서 전기신호가 발생하면 뉴런 말단에 빠르게 도달하여 신경전달물질을 분비하게 되는데 이 분비된 신경전달물질은 다른 뉴런에 존재하는 수용체에 결합하여 화학신호를 전달하게 됩니다. 이러한 과정을 통해서 시냅스에서 신경전달이 발생합니다.

기본적으로 뉴런의 안과 밖에는 칼륨 이온과 나트륨 이온이 있습니다. 뉴런은 쉬고 있을 때(휴지상태) 일정 강도 이상의 입력 신호가 발생하면(즉 수상돌기에서 받은 가중치 합계가 임계 값 제한보다 크면) 뉴런이 활동합니다. 그렇지 않으면 휴식 상태로 유지됩니다. 뉴런의 상태 (켜짐 또는 꺼짐)는 축삭을 통해 전파되고 시냅스를 통해 연결된 다른 뉴런으로 전달됩니다. 일정 강도 이상의 신호는 신경세포체에서 축삭으로 넘어가는 곳에서 이온들이 몰려와 급격한 전위차로 발생시킵니다.  이 전위차를 감지해 이온이 교환되어 활동 전위가 생깁니다.  즉 전기 신호가 발생하고, 이런 식으로 말단까지 전위가 전달되면 말단 안의 작은 알 같은 소포체(vesicle)들이  끝쪽으로 붙어 터지면서 신경전달물질이 시냅스 틈(synaptic cleft)으로 방출됩니다.  시냅스 사이로는 전기차를 전달할 센서가 없기에 화학적인 형태인 신경전달물질로 신호를 보냅니다. 이 신경전달물질을 다른 뉴런이 수상돌기를 통해 받아들이면 다음 뉴런으로 신호가 전달되는 것입니다. (입력 신호 --> 뉴런 자극 --> 전위차 --> 전기 신호  --> 시냅스를 통한 출력 전달)

뉴런은 이와같이 시냅스에서 연결되어 신경 경로, 신경 회로로 크고 정교한 네트워크 시스템을 형성합니다. 뇌 및 신경계는 많은 수의 뉴런이 만든 네트워크(network)이라고도 볼 수 있습니다. 뇌가 감각기관을 통해 환경을 경험하며 만들어가는 방법으로 출생 후부터 사춘기까지 출생 시 가지고 태어나는 미성숙한 뇌의 활발한 변화를 통해 신경 네트워크가 변하는 것입니다. 이때 자주 사용하는 신경세포들은 신경회로의 결합이 활발하게 일어나는 반면 자주 사용하지 않는 신경세포는 점차 그 회로 결합이 적어지게 됩니다.

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