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일하는 두뇌

컴퓨터와 인간지능 : Donald G. Fink 저, 이기호 역, 이화여대 출판부, 1986, Page 165~183

질문과 응답

    (1) 지각과 분석

    (2) 메시지 형태의 전달

    (3) 메시지 센터에서 분류

    (4) 질문 내용의 인식
     (5) 대답을 추리한다

    (6) 대답 반응

지능과 전달 유형

신경의 on-off 논리

신경 전기

두뇌는 계산기와 같다. 그러나 두뇌와 같은 계산기는 없다. - 맥컬로프 (Warren McCulloch)

지적인 사고와 행동에서의 자연적인 기계작용은 커다란 문제를 발생시킨다. 그래서 우리의 관심은 직접적으로 인공 지능을 조명하는 자연 지능 같은 면에 국한시켜야 한다.

인간의 지능에 관한 연구는 두 개의 생활과학, 즉 생리학과 심리학에서 거의 발전되었다. 생리학은 우리의 신체가 어떻게 짜여졌으며 생명기관이 어떻게 작용하는가를 다룬다. 심리학자는 두뇌를 연구한다. 즉 두개골의 내부를 연구한다. 심리학자는 뇌의 각 부분을 명시하고, 신경계통의 통로를 추적하며, 전기적이고 화학적인 성질을 측정한다. 물리학, 화학, 생물학에서 사용되는 언어는 감각, 사고, 행동과 관련된 모든 기관의 상호작용을 묘사한다.

또한, 심리학은 무엇보다 다 행동과 밀접한 관련을 갖는다. 인간이 주위의 환경에 어떻게 반응하며 어떻게 행동하는지가 과학의 본질이다. 심리학자들은 외부로부터 두개골의 지능을 연구한다. 그는 복잡한 형태를 인간이 어떻게 느끼는지, 또한 지식과 욕망을 어떻게 행동으로 나타내는지, 경험으로부터 어떻게 배우는가에 관심을 갖는다. 그들은 두뇌, 신경, 감각기관, 근육을 시스템처럼 조사하고 그 시스템이 주위로부터 오는 자극에 어떻게 반응하는가를 파악하고 진단한다. 물리학과 화학에 대한 관심이라기보다는 오히려 의식적인 행동과 무의식적인 욕망으로 표현되는 사고와 감정에 관심을 갖는다. 특히, 지적 행동을 이루는 데 사용되는 단어와 부호인 언어를 가지고 생각을 정의한다.

인공 지능의 연구는 두 가지 중요한 원리를 포함한다. 컴퓨터 "심리학" 은 테이프, 트랜지스터, 자기코어, 지시기, 누름단추, 전기회로와 같은 컴퓨터의 한 부분과 상호 연결에 관한 연구이다. 컴퓨터 "생리학자" 는 직무를 수행할 수 있는 컴퓨터를 고안하는 기사이다. 또한 컴퓨터 "심리학자" 는 자기 역할에 전념한다. 계산에 숙련된 사람은 질문에서 해답을 이끌어 내는 행동계획을 세운다. 그는 설사 컴퓨터 내부의 구석구석까지는 잘 모를 때가 있다 하더라도 컴퓨터 언어에는 숙달되어 있다. 즉 수, 단어, 계산계획을 표현하는 프로그램과 같은 것이다.

그림 1 질문에 대한 지적 응답 활동 경로. 번호는 이 책에서 사용되는 단어를 의미한다.

질문과 응답
인간의 지능기관인 뇌와 이것을 감각기관과 근육에 연결하는 신경계를 간단히 살펴 보자. <그림 1> 은 보통 교실에서 있을 수 있는 상황에서 자극으로부터 반응으로까지의 통로를 나타낸다. "궤도에 있는 우주비행사는 왜 중력을 느낄 수 없는지 누가 설명하겠습니까?" 라고 질문한다. 그러면, 학생들은 얼마나 학습준비를 잘해 왔는지에 따라 손을 든다든가 혹은 전체가 무관심한 듯한 반응을 보인다. 참여나 무관심에 도달할 때까지 학생들은 기본적인 여섯 단계의 지적 활동을 수행한다.

(1) 지각과 분석
교사의 목소리의 음파가 고막에 닿으면 고막은 진동한다. 고막은 세 개의 작은 뼈 (추골, 침골 그리고 등골) 를 자극한다. 이런 기계적인 운동은 내이의 유동체를 통해 세포 ("털세포") 로 전달되는데, 그 세포는 교사의 목소리의 고저, 강약, 음색에 따라서 여러 가지 방법으로 꼬이거나 눌려 찌그러지거나 구부러진다. 청각신경의 섬유조직은 귀세포에 의해서 일련의 전기적인 자극을 만들어내도록 자극된다. 수천 개의 섬유로 구성된 청각신경은 각각 음파의 다른 내용을 나타내고 많은 분리된 전기신호를 신경섬유에 제시한다. 교사의 질문은 귀에 의해 전기적인 메시지로 분석이 되고, 그 메시지는 고저, 강약 그리고 음색에 일치하는 자극을 전달한다.

(2) 메시지 형태의 전달
청각신경은 전기적인 신호를 뇌에 옮기고, 섬유 각각은 다른 섬유에 의해서 운반된 것과는 실제로 분리된 신호 형태를 갖게 된다. 음파에 대한 귀의 분석을 나타내는 형태는 음파가 뇌를 통과하는 동안 지속된다. 더욱이 이런 형태는 교사의 특별한 질문과 그의 독특한 음질에 따라서 유일하게 결정된다. 메시지 형태는 질문의 의미뿐만 아니라 다른 우연적인 지능의 항목까지도 전달하며 이에 따라 그 학급은 (비록 눈을 감았다 할지라도) 그 교사가 누구이며 좋은 기분인지 아닌지까지도 알아차릴 수 있다.

메시지 형태는 범위를 확대하고 (수천 개의 신경섬유 사이에서 분배되는) 시간을 (질문의 시작에서 끝날 때까지의) 확장한다. 뇌에 의해서 분리하여 인식할 수 있는 메시지 형태는 시간과 공간상으로 무한한 변화의 가능성을 지니고 있다. 예를 들면, 하나의 중요한 변화는 교실에서 교사의 위치에 따라 결정된다. 만약 교사가 오른쪽에 있다면 학생의 오른쪽 귀가 진동하고 음파를 왼쪽 귀보다 먼저 로 분해하고 교실에서 교사의 위치에 따라 뇌의 두 부분에서 일어나는 시간상의 정교한 차이점에 대한 해결책을 제시한다.

예를 인용함으로써 우리는 훨씬 확실해졌다. 해부학자는 실제로 귀가 소리를 분석하는 것을 추적하고, 청각신경에서 전기적인 메시지 형태를 측정해왔다. 그러나 여기에서 메시지 형태는 뇌로 들어가고 난 다음 우리는 상세한 경로를 추적할 수 없게 된다. 우리는 뇌부분을 통과하는 주요한 신경통로를 추적할 수 있으며 하등동물 (개구리) 의 경우 뇌기능을 분리해서 확인할 수 있다. 그러나 인간의 두뇌는 너무 복잡하여 그 활동을 측정할 수가 없다 (뇌와 중추신경계는 약 13,000,000,000 개의 뉴런이 있고 이들 각각은 평균 몇 백 개의 다른 뉴런과 연결을 갖는다). 우리는 활동 중인 뇌의 총체적인 관찰을 통해 결론을 이끌어낸다. 여기서 실험적인 결과로서 우리는 뇌의 전문가가 발생할 수 있다고 믿는 것을 설명한다. 이러한 믿음은 자연적인 지능과 인공 지능에 대한 비교연구의 근본이 되므로, 우리는 많은 개념이 생활과학자들의 "최상의 추측" 이라는 생각을 갖고 계속 진행하려고 한다.

(3) 메시지 센터에서 분류
냄새 (후각신경) 와 시각 (시각신경) 에 관련된 신경처럼, 청각신경은 척추의 상단 위에 있는 뇌간 (brainstem) 에서 끝난다. 이것이 뇌의 "메시지 센터" 이다. 여전히 다른 신경은 척추를 통해서 뇌간에 도달한다. 이런 것들은 신체로부터 떨어진 더 많은 부분으로부터 있는 약 4,000,000 개의 감각 탐지에서 메시지 형태로 압력, 통증, 기온의 인상을 전달한다.

뇌간은 신체의 모든 부분에서 동시에 일어나는 감각 인상으로 넘쳐 흐른다. 깨어 있는 동안 매초 우리의 감각 기관은 적어도 100,000,000 개의 전기적인 자극을 생성하는 것으로 추산되고 있다. 이런 모든 신호에 대해 동시에 반응을 할 수 없음은 물론이다. 어떤 것은 척추에 의해 방향이 재조정된다 (반사작용에 의해). 나머지는 메시지를 분류해내는 뇌간에 도달하여 대수롭지 않은 것은 억제하고 의식적인 정신에 특별한 관심을 요하는 것은 통과시킨다. 매초 약 100 개의 신경자극이 - 백만 개 중 단지 하나 - 뇌의 피질에 있는 의식적인 사고의 가장 높은 중심에 도착한다.

우리는 뇌간이 뇌의 메시지 센터로서 어떻게 행동하는가에 대해 가장 많이 알려진 생각만을 갖는다. 우리는 뇌간이 혼자 힘으로는 아무것도 하지 못한다는 것을 안다. 그것은 노의 다른 부분을 제어하고 뇌의 다른 부분에 의해서 제어되며, 그것의 행동은 들어오는 감각 메시지뿐만 아니라 과거의 경험을 나타내는 다른 메시지에 의해서 결정된다. 우리는 여기에서 인간의 기억의 신비와 접하게 된다. 기억 없이는 인간의 지능은 거의 존재할 수가 없다. 인공지능도 마찬가지이다. 정신을 모방할 수 있는 컴퓨터 시스템은 기억세포를 가져야 하며, 컴퓨터 시스템이 지능의 더 높은 경지를 모방하면 할수록 더 많은 기억세포를 가져야 한다.

뇌간이 (우리가 가정한 학급에서) 교사의 질문에 의식적인 마음으로 통과하기 전에, 뇌간은 그것이 동시에 받는 수천개의 감각 메시지 가운데서 그 질문이 취급될 만큼 주요한 사건인지를 결정해야 한다. 그 결정은 여러 가지 자료에 의거하여 한다. 압력 메시지를 통해서 학생들은 자신이 교실에서 매일 앉는 자기 자리에 앉아 있다는 것을 안다. 시각 메시지를 통해서 그는 교사를 본다. 기억 메시지를 통해서 배운 학과와 예습해 온 수업이 있다는 것을 안다. 그래서 교사가 질문을 하면 뇌간은 그것에 대한 준비를 한다. 그것은 질문의 본질적인 내용을 분류하고 훨씬 간단한 형태로 더 높은 뇌의 피질로 다른 메시지를 통과시킨다.

복잡한 감각 메시지를 의식적인 해석을 하기 위해서 훨씬 더 간단하게 요약한다. 이에 따른 놀라운 성과는 뇌간이 (다른 뇌의 부분의 협조로) 귀로부터 들어오는 "입력 자료" 를 사고과정을 위해 적당하고 세련된 형태로 옮기고 정제하는 코드를 사용한다고 상상하면 설명될 수 있다. 전기적인 분석으로부터 교사가 질문을 하는 5 초 이내에 음파는 귀가 감지하고 분석하는 기압 내에서 적어도 50,000 의 의미있는 변화를 포함한다. 지금까지의 심리학적 조사로는 한 개인이 그 시간 내 감지하는 정보 단서는 250 개 정도로서 이들 250 개의 정보 단서들은 질문에 대한 답을 만들고, 대답을 하는 데 작용된다.

뇌간에서 이런 코드 해석은 문장에서 단어와 같이 순서대로 배열된 부호의 집합으로서 피질을 위해 잘 정제된 메시지를 형성하기 위해 수행된다. 아무도 맥박과 사고 형태의 의미를 연결하는 "코드를 파괴하지" 않았다. 그러나 코드가 언어에 따라서 배열된다는 것은 믿을 만한 이유를 갖는데 언어는 의미를 전달할 수 있는 (단어, 절, 문장과 같은) 그룹으로 배열될 수 있는 상징 (문자) 들로 구성된다. 의식적인 사고와 같은 고차원적 과정에서 언어를 상징하는 부호는 최선의 것이어야 한다. 왜냐하면 우리가 질문에 대한 대답을 하는데 우리 스스로가 단어의 사용을 관찰하기 때문이다.

(4) 질문 내용의 인식
뇌간으로부터 정확한 메시지 형태를 두 개의 보조 신경센터 (코드 번역과정에 참여하는) 를 통해서 소리의 의미를 알아듣는 두뇌의 청각피질 (auditory cortex) 로 통과한다. 이것은 뇌의 바깥 부분 좌ㆍ우에 위치한다. 이들 청각피질은 실험동물의 두뇌와 인간의 두뇌를 수술할 때 연구되어 왔다. 외과 의사들은 청각피질상의 여러 부분이 자극을 받으면 소리의 감각이 만들어진다는 것을 발견하였다. 그래서 소리가 어떻게 인식되는지 전혀 알지 못한다 하더라도 소리가 의식적으로 인식되는 곳을 안다.

우리는 소리의 의미를 알기 전에 학습과정이 더 앞서야 한다는 것을 안다. 소리의 형태와 연관된 의미를 계속 나타내는 동안 피질의 조건을 조절한다. 어린이는 이런 조건을 통해서 엄마의 목소리를 인식하며 그리고 나중에 그의 부모를 "ma" 와 "da" 와 같은 간단한 소리로 연결짓는 것을 배운다.

단어를 인지해서 사용하는 능력은 6 살까지 급속히 발달한다. 이 동안 피질은 매우 빠른 비율로 성장하고 이 성장은 신비스러운 방법으로 수십억 개에 달하는 소리의 형태와 의미가 저장되어 있는 신경섬유들을 연결시킨다. 태어날 때부터 아주 귀가 먼 사람은 이런 형태를 지각하고 저장할 수 있는 기회를 갖지 못한다. 만약 그의 청력이 수술에 의해서 회복된다면 그는 처음에 그가 들은 소리에 의해 몹시 당황하게 되며 특정한 소리와 이미를 연관짓는 고통스러운 과정을 거쳐야 한다.

따라서 가정한 학습의 예에서 살펴보면 교사의 질문을 의식하는 것은 척추에서 제공된 메시지 형태와 두뇌에 이미 저장된 비슷한 형태를 연결짓는 과정에서 나타나는 것 같다. 연결짓는 과정은 소리 의미에 관해서 저장된 인상의 거대한 파일을 찾아야 한다. 사실상 성인의 기억장소는 너무 크고, 깊고, 영구히 간직되어 있어서 신경섬유와 그것들의 연결의 변화를 설명으로 지적하는 것만으로는 불충분하다.

우리는 뇌가 어떻게 소리를 인식하는지 잘 모르지만 찾아서 짝짓는 (search-and-match) 과정은 이해할 수 있다. 관련있는 것끼리 연결될 때 (그리고 그 연결이 단어, 절 혹은 한꺼번에 모든 것이 인식되는 문장 전체일지라도) 피질의 뉴런 (neron) 은 새로운 전달 유형을 만들어 내는데, 그것은 질문에 대한 대답을 추리하는 다음의 과정을 시작한다. 이 단계에서 교사의 질문에 의해 일어나는 자극은 뇌의 모퉁이를 돈다. 말하자면 반응이 시작된다는 것이다.

교사의 질문을 인식하는 것은 본질적으로 자동적인 과정이다. 그것은 단어를 이해하는 의식적인 노력을 하지 않는다는 것을 배운 경험에서 세워진 연결을 사용한다. 생소한 단어가 처음 제시될 때 (예컨대 "우주비행 [astronaut = cosmonaut]") 우리는 의식적으로 그 단어의 소리를 조사하고 단어가 구성하는 표기된 문자와 소리를 연결짓는다. 최소한도 그 단어를 12 번 사용한 후 곧 "배운" 그 단어는 무의식적인 저장소의 한 부분이 되며, 의미를 자동적으로 연결과정에 이용할 수 있다.

(5) 대답을 추리한다
다음 단계의 추리는 그렇게 자동적인 것이 아니다. 그것은 의식적인 노력을 해야 한다. 일반적으로 추리는 의미를 인식하는 것과 비슷한 과정에 의해서 나타나지만 훨씬 더 포괄적인 범위를 포함한다. 질문에 대한 대답을 찾을 때는 이미 관련되어 저장된 많은 자료와의 관계를 우리의 기억에서 찾아야 한다.

추리과정은 단순히 유사한 소리 의미 (sound-meaning) 를 갖고 있는 감각 메시지의 일대일의 연결만은 아니다. 거기에는 많은 중간 단계가 있다. 많은 보조 메시지들은 만들어져서 인식되어야 하고, 그중 뜻이 통하지 않는 것들은 버리고 그 대답에 도움이 되는 것들은 존속시킨다. 우리가 질문에 대해 생각하는 몇 초 동안 거의 수천 개의 합리적인 연결이 이루어져야 하며 대답의 형태를 만드는 것처럼 마음의 눈으로 수십 개의 연결이 의식에 생겨야 한다.

예를 들면, 교사가 제시한 문제를 해결하는 데 질문에 나오는 명사 "중력" 을 연관짓기 위해서 학생은 중심이 되는 명사 "힘 (force)" 과 동사 "균형이 되다" 를 필요로 한다. 만약 "A" 라는 학생이라면 그는 거기서 멈추지 않고 질문의 명사 "궤도 (orbit)" 와 연결짓기 위해서 "방향상의 계속적인 변화" 란 절과 "가속도" 란 명사를 발견함으로써 대답을 재미있게 꾸민다.

이들 모든 단어와 절들은 피질의 작업이 끝나기 전에 발견되어야 하며 논리적인 연결이 적당한 순서로 이루어져야 한다 (그러는 동안 피질로부터의 신호가 두뇌의 많은 다른 부위를 필요로 한다).

추리과정이 끝나면 적당한 단어와 절이 질문에 대답하는 문장으로 순서대로 놓여진다. 그러나 교실에서 배운 학생들은 즉각 말하지 않는다. 학생들은 한 두 번 조용히 해당 문장을 만들어 보고, 내용과 형태를 가다듬는다. 그 문장이 적당하다고 인식되면 주로 교실상황을 추적해 온 두뇌 (뇌간) 의 메시지 센터가 "출발 준비 (ready to go)" 라는 신호를 보내고 행동한다.

(6) 대답 반응
다음 과정은 두뇌가 나가는 신경체로 하여금 행동하도록 신호를 보낸다. 이 단계에서 거의 수십 개의 지시가 순서대로 행해진다. 메시지가 두뇌에서 척수를 따라 넓적다리와 몸통의 근육까지 가면 학생은 똑바로 앉는다. 다른 지시를 받은 메시지가 오른팔의 근육으로 가서 손이 올려진다. 동시에 단어-문장 전달유형은 말하는 기관과 교체된다. 간단한 첫째 신호는 숨을 들이쉬는 가슴 근육으로 간다. 곧이어 언어 형태가 성대의 근육과 턱, 뺨 그리고 혀를 조절하는 근육에서 동시에 작업하기 위해서 간다. 동시에 학생은 숨을 내쉬고 단어를 만들기 시작한다.

학생이 성급하여 교사가 그를 인식하기 전에 말한다고 가정하자. 반응을 보이기 전이라 할지라도 뇌간의 메시지 센터에 있는 감정적인 감시자가 "코드 번역" 으로 "손을 들라" 는 신호를 피질에 보낸다. 그러면 말하는 기관은 교사가 자신의 이름을 부를 때까지 억제된다. 그 다음에 이렇게 대답한다. "궤도의 방향상의 계속적인 변화는 우주비행사의 신체상에 가속도를 만들어낸다." 그러면 "맞았다" 라는 감정적이고 지적인 만족을 갈망하면서 교사의 반응을 잠깐 기다린다.

지능과 전달 유형
지능의 조작에 관한 이와 같은 간단한 설명으로는 인간의 지적 자질을 충분히 파악할 수 없으며 또한 인간의 풍부한 감성과 창조적인 생활의 자원을 나타낼 수도 없다. 다만 우리는 질문에 반응하는 과정을 이해하고 추리하는 행동에서 나타나는 기본적인 사건의 빠른 반사를 스쳤을 뿐이다. 그러나 질문 대 응답의 예는 이 책의 중요한 개념을 제시하기에 충분하다. 중요한 행동은 전달 유형의 커뮤니케이션과 조작에 의해서 수행된다. 질문을 받고 대답을 하는 과정에서 우리는 소리 압력의 형태를 발견한다.

질문에 대해 올바르지 않은 대답을 일으키게 하는 반응은 제거한다. 그 사건의 전후 작용과 각 사건을 연결하는 것은 지능의 특성에 대한 두 번째 열쇠의 증거이다. 즉 원인에서 결과까지의 논리적인 진행이다. 질문에 대답하는 것은 사실상 입력 자료와 출력 자료 사이의 논리적인 관계를 찾는 연습이다. 비록 우리가 질문에 대한 대답을 기억하여 어떠한 추리도 하지 않았다 하더라도 자극과 반응이란 역학은 입력 메시지 형태를 저장된 기억 형태와 정확하게 (즉, 논리적으로 정확하게) 연결시키지 않고는 진행할 수 없다.

대답을 "만들어낼" 때, 추리과정은 대답이 우리 마음 속에 나타나기 전에 만족할 수 있는 정확한 논리적 관계의 전반적인 조직 도표를 갖는다. 추리는 이런 논리적인 관계를 모순이 없는 형태로 고치며, 뜻이 통하지 않는 비논리적인 관계는 제거하고, 논리적인 목적이 성취될 때까지 다른 것들을 대응한다. 추리는 지각할 수 있는 생각들을 선택하는 논리적인 과정이다. 인간의 두뇌는 무질서에 질서를 만들어내는 자연의 가장 능숙한 기교이다.

그렇다고 지능이 순수하게 논리적이라는 것은 아니다. 그런 일은 결코 있을 수 없다! 순수한 논리란 전제에서 결론까지 정확하게 진행하면서 두뇌는 필요한 연결을 인식하고 맞지 않고 대수롭지 않은 연결을 없애는 시행착오에 의해서 더 큰 것을 진행한다. 그러나 결론적으로, 정확히 이해된 질문에 대한 정확한 대답은 논리적이다. 우리는 대답에 있는 모든 단어와 그리고 질문에 있는 모든 단어의 연결을 논리적으로 추적할 수 있다.

요약하면 밖으로 나가는 지능의 부호는 생각들간의 논리적인 관계 (연결) 를 표시하고 생각들은 차례대로 언어의 형태와 규칙에 따라서 정돈된 부호의 형태로 구성한다. 언어는 부호를 그룹으로, 그룹을 더 큰 그룹으로, 문자에서 책으로 또는 악보를 교향곡으로 정돈하는 규칙을 갖는다. 여기서 우리는 지적인 행동의 연결이 우리의 감각기관, 신경, 두뇌 그리고 근육에 나타나는 것같이 비슷한 규칙에 의해서 만들어진다는 것을 강조할 필요가 있다. 무엇보다 지적인 두뇌의 주된 기능은 무의미한 것 가운데서 의미있는 것을 선택하는 것이다. 모든 것이 이야기되고 행동되었을 때 두뇌가 필요한 지적인 반응을 만들어낸다면 그것은 논리의 범위 내에서 수행되어야 한다.

언어처럼 논리도 다양하고 순수하며 이단적이다. 정해진 규칙의 엄격한 관찰을 강요하는 수학은 순수한 형태를 제시한다. 일반적인 법칙이 제외되는 영어는 이단적인 논리를 나타낸다. 예를 들면 문자 "ough" 는 하나의 방법만으로 쓰여지지만 적어도 다섯 가지의 다른 방법으로 발음이 된다. "bough" 와 "bow" 그리고 "dough" 와 "doe" 같이 발음된 단어를 구별하기 위해 두뇌는 단어와의 연결을 참고한다. 즉, 그 단어가 사용된 문맥에 의존한다. 문맥을 이해하는 것은 한 문장이나 단락의 "진정한 의미" 가 명백해지기 전에 수백 개의 단어에 퍼지는 기억의 전체를 요구한다.

언어를 번역하는 기계를 고안할 때 우리는 기본적인 단어뿐만 아니라 절과 문장에 있는 단어 사이의 연결을 고려한다. 제 11 장에서 우리는 기계가 문맥, 관용어, 언어의 "비논리적인" 특이한 표현을 어떻게 취급하는가에 대해 배우게 된다. 우리가 예상하는 대로 그런 기계는 두뇌에서 시험해 온 찾아서 짝짓는 방법에 의해서 수행한다. 대응을 위한 최초의 서치는 단어 (절 혹은 관용어) 에 확대된다. 만약 아무런 대응도 나타나지 않으면 서치가 더 짧은 것을 가지고 계속한다. 이러한 노력이 실패하면 단어 대 단어의 매치 방법을 찾게 된다. 이런 마지막 서치는 그렇게 완벽한 것이 아닌 과장된 번역을 낳지만 그럼에도 불구하고 그 결과는 납득할 수 있는 것이다.

더 짧은 단어 형태에 대한 계속적인 서치 과정은 기계연산의 엄격한 논리가 자연 언어의 자유로운 논리에 어떻게 적용되는지를 보여준다. 거의 십중팔구는 두뇌가 인식과 추리의 형태를 짝지을 때 유사한 요점에만 국한시킨다.

신경의 on-off 논리
두뇌 기능은 매우 복잡한 것임에도 불구하고 기본적인 과정인 신경섬유간의 커뮤니케이션은 양자택일이라는 가장 간단한 논리적인 행동이다. 어떤 순간 각 신경섬유는 "full-on" 이나 "full-off" 중의 하나이다. 그것은 전기 신호를 활발히 통과하거나 아니면 어떠한 것도 전달하지 않는다는 것을 의미한다. 생리학자가 결정할 수 있는 한 어떠한 중간적인 "partly on" 이라는 조건은 신경섬유의 작용에 사용되지 않는다.

그와 같은 과정이 지각과 사고의 민감한 변화를 어떻게 설명할 수 있는가? 그 대답은 신경섬유간의 수없이 많은 연결에 있다. 이 연결을 통해 각 섬유질은 다른 섬유질에 의해 자극을 받고 제어되며 차례로 그것은 다른 것을 자극하고 제어한다. 근본적으로 두뇌의 행동은 논리적으로 간단하다. 그것은 단지 분지 (branch) 에서 인간의 지력의 환상적인 힘을 성취할 뿐이다.

우리가 알고 있는 (어느 정도 자세하게) 계수형 전자계산기 또한 간단한 "on-or-off" 과정에 기초를 둔다. 그 계산기는 조립, 전이, 비교, 디스플레이 (display) 에 의해 인공 지능의 힘을 성취하거나 0 과 1 에 기초를 두는 메시지 형태를 조작함으로써 성취한다. 이런 유사점은 전자계산기가 인간의 신경 조직을 모방하고 있음을 의미하는 것은 아니다. 사실상 처음으로 계수형 계산기를 고안한 엔지니어는 두뇌의 생리학에 관해 무지하며 전혀 그것을 고려하지 않았다. 그들은 다만 빠르고 정확하게 계산하는 기계만을 원했다. 후에 생활과학에 종사하는 사람들은 컴퓨터 전문가와 노트를 비교하기 시작하자 놀라운 유사점이 나타나게 되었다.

많은 중요한 관점에서 물론 인간의 신경조직은 컴퓨터 회로와는 다르다. 우선 상대적인 복합성을 고려해 보자. 두뇌와 비교해서 가장 큰 컴퓨터조차도 그 자체는 간단하다. 두뇌에 접근하는 전자 시스템을 인용하기 위해 하나로 취해지는 미국 전체의 전호 (통신) 조직을 지적할 수 있다. 그 전화 조직에는 약 180 억 개의 회로 연결이 있다. 우리는 여기저기에 적어도 1 조 개의 신경 연결을 운송한다.

다음은 메시지 형태가 옮겨지는 두 가지 경우의 속도를 생각해 보자. 신경은 컴퓨터의 전기 회로에 비해 전기적인 충동을 매우 천천히 옮긴다. 청각 피질은 소리가 고막에 부딪힌 후 약 1/100 초 안에 음파를 나타내는 첫 번째 충격을 받아들인다. 그동안 메시지 형태의 전달은 약 10 인치 가량을 덮고 메시지의 전반적인 형태의 전달은 약 10 인치 가량을 덮고 메시지의 전반적인 속도는 중간의 형태 조작을 포착하는 데 1 초당 약 1,000 인치 가량이다. 이것은 굉장히 빠른 속도인 것 같지만 백만 분의 1 초 내에 몇 피트의 메시지를 통과시키는 고속 전자계산기와 비교하면 느린 속도이다.

우리가 컴퓨터 내의 구리 전도체의 운동과 비교되는 신경 섬유를 따라서 특정한 전기 충동의 운동에 주의를 고정시킨다면 그 비교는 특별히 눈에 띈다. 빠른 행동을 하는 신경섬유를 통과하는 전기에너지의 속도는 1 초에 약 100 cm 로 측정되었다. 컴퓨터 전선은 광속의 3/10 보다 더 빠른 속도로 신호를 운송하거나 1 초에 108 m 를 운송한다.

이런 사실은 컴퓨터가 신경조직보다 백만 배 더 빨리 수행한다는 것을 의미하지는 않는다. 왜냐하면 트랜지스터와 기억 코어에 의해서 숫자를 다루는 것은 전도체를 따라서 신호를 단순히 통과시키는 것보다 훨씬 많은 시간이 걸린다. 그러나 또 다른 비교를 해보면 흥미가 있다. 즉, 신경섬유가 다음 충격을 옮기는 준비를 하는데 걸리는 시간과 트랜지스터가 요구하는 시간과 비교하자. 충격의 통과가 완료되면 다시 "on" 으로 바뀌게 자극을 받으며, 다른 충격을 옮기기 전에 신경은 일단 휴식기를 가져야 한다. 이런 휴식의 "다루기 힘든" 기간은 아무리 빠른 신경이라도 약 1/1,000 초 동안 계속된다. 대조적으로 충격을 옮기는 것을 완료한 빠른 컴퓨터 트랜지스터는 10 억 분의 몇 초 이내에 다음 준비를 한다. 여기서 다시 우리는 신경 망상조직의 컴퓨터를 위하여 약 백만 개의 시간 요인 (인자) 을 만난다. 컴퓨터 (자기코어와 필름) 내에 있는 기억 세포들은 그렇게 빠르지 않지만 백만 분의 몇 초 내에 "순환될" 수 있다. 인간의 신경조직이 어떤 컴퓨터보다도 더 복잡한 것을 알고 있지만 또한 메시지를 취급함에 있어 상당히 더 느리다는 것도 우리는 알고 있다. 이것은 두뇌를 모방한 기계를 고안하는 데 결정적인 요인이 된다. 왜냐하면 우리는 복잡성에 대해서 속도를 교환할 수 있다. 지능적인 행동을 수행하는 데 있어서 두뇌는 몇 만 개의 신경섬유 사슬들을 동시에 활동시킬 수 있다. 또한 컴퓨터는 숫자들이 계산을 준비하는 것처럼 "섬유 사슬" (트랜지스터, 전도체와 기억세포) 을 사용한다. 단지 제한된 방법으로 컴퓨터 부분들은 동시에 사용된다. 컴퓨터는 백만 개의 속도의 이점에 의해서 한 번에 하나의 연산을 결정하는데, 그 속도의 이점이 컴퓨터를 거의 두뇌와 같은 위치에 놓는다.

이런 흡사한 동일성은 물론 두뇌와 컴퓨터가 똑같은 문제를 수행할 때만 존재한다. 그 비교는 컴퓨터가 문제를 계산하는데 요구되는 시간이 무엇이든 무시한다. 예를 들면 수학적인 논리에서 문제를 해결하기 위한 계산계획을 구성하는데는 몇 달간의 집중적인 노력이 필요하지만 두뇌에서는 같은 과정이 며칠 내에 나타날 수 있다. 인공 지능의 일을 수행하는 데 컴퓨터의 이점은 성취된 작업의 형태에 의존하는 것이다. 완성된 특정한 종류의 일이 프로그램을 준비하고 수행하는 비용을 정당화할 만큼 완성된 특정한 종류의 일의 양이 굉장히 많을 때에만 기계를 사용할 수 있는 여유가 생긴다. 그렇지 않으면 두뇌는 용도가 매우 다양하여 어떠한 경쟁도 허용하지 않는다.

신경 전기
기계 지능의 기능을 이해하는 데 사용되는 신경전기 (nerve electricity) 에 대한 어떤 면을 살펴봄으로써 이 장의 결론을 내리고자 한다. 이것은 그 자체가 매력적인 주제이고 더 많은 정보를 원하는 관심있는 독자는 갤램보 (Robert Galambos) 박사의 저서를 보라. 인간의 신경섬유의 반경은 1 내지 20 마이크론 (1 마이크론 = 10-3 mm) 으로 매우 작다. 이와 같이 크기가 작음에도 신경생리학자는 섬유질의 내부구조를 조사할 수 있었다. 그들은 신경세포가 사실상 살아 있는 전지라는 것을 발견하는데, 그 세포들은 자극을 받으면 휴식기와 해제기간 동안 스스로 충전한다. 충전이 되면 세포는 70 mV 의 전압을 갖는다. 이런 잠재적인 고저의 차 (주석 : 전기적인 충전 상태에서 이 70 mV 의 차이는 본래 일정한 것처럼 보인다. 왜냐하면 동식물 생애의 모든 형태에서 전기적으로 살아있는 모든 세포, 신경, 핵이 그런 성질을 나타내기 때문이다.) 는 전기적으로 충전된 K+ 와 Na+ 이온의 조절을 갑자기 바꾼다. 먼저 Na+ 이온을 세포 속으로 들어오게 하여 나트륨 이온의 집중 현상을 중화시킨다. 두 번째로 1/1,000 초 조금 후에 막은 K+ 이온이 급격히 밖으로 새어 나가게 한다. 이와 같은 두 이온 운동의 결합은 실제로 세포의 전기충전을 전환시키는데 순간적으로 -20 mV 로 된다.

그림 2 시간에 대한 신경 전파의 그림. 인간의 신경은 10-3 초간 펄스를 내보내는 반면 전형적인 컴퓨터는 약 10-5 초간 펄스를 내보낸다.

세포 전위에서 이런 순간적인 변화는 신경의 충격을 구성한다 (그림 2). 그것은 단지 1/1,000 초 동안 계속된다. 그 뒤에 70 mV 의 휴식기 전위로 회복될 때까지 Na+ 와 K+ 이온의 흐름은 Na+ 는 밖으로 K+ 는 안으로 바뀐다. 재충전 기간 동안 세포막은 어떤 자극에 대해서도 반응하지 않으며 그것은 이미 앞에서 언급한 "다루기 힘든" 조건이 된다.

이런 사건들은 신경섬유의 명백한 지점에 오래 머무르지 않는다. 이온이 움직일 때 (움직이는 이온은 전류를 형성한다) 그 이온들은 막의 이웃 부분 내의 전류를 결정하는데, 그것들은 마치 다른 신경섬유에 의해서 자극을 받는 것처럼 반응한다. 그 반응은 "prairie fire 와 같은" (갤램보 박사의 책에서) 막을 따라서 진행된다. 섬유질상에 각각의 연속적인 지점 K+ 와 Na+ 이온의 쇠퇴로 나타나며 따라서 20 mV 충격은 신경섬유의 끝에 도달할 때까지 흐른다.

보통 섬유 가지가 밖으로 뻗친다면 충격은 각 가지로 흐르고, 따라서 만들어진 몇 개의 충격들은 다른 섬유와 접합점 ("synapses") 에서 만날 때까지 진행한다. 이런 방법으로, 단 하나의 충격이 두뇌와 척수의 먼 곳까지 동시에 흐르는 셀 수 없는 수천 개의 새로운 충격들로 번식된다.

지금 우리는 신경 내의 전류의 흐름이 전선 내에 전류의 흐름에 비해 왜 그렇게 느린지를 알 수 있다. 비록 유사점은 대수로운 것이 아니더라도 우리는 불타는 퓨즈에 대한 신경의 행동과 호스의 물의 흐름에 대한 전도체를 비교할 수 있다. 퓨즈를 점화하면, 그레인 가루 (powder grain) 에서 퓨즈 끝에 있는 그레인 가루로 통과하면서 타는 화학적인 반응을 기다려야 한다. 호스의 물을 나오게 할 때 (마치 전선에 이미 자유 전자가 가득한 것첢 물이 가득하다고 가정하자), 우리는 호스로 들어가는 물이 주둥이로 들어가지 않을 때까지 기다려야 한다. 공기 기포의 압축과 호스의 탄력있는 팽창에 따르는 지연을 가정하면, 주둥이의 물은 물꼭지로부터 물이 나오는 것과 거의 같은 순간에 나온다. 마찬가지로 전선으로 들어가는 자유전자는 옮겨져야 하는 충격을 위해서 끝으로 흐를 필요가 없다. 그 충격은 거의 빛의 속도로 전자들 사이의 힘에 의해서 옮겨진다. 전자는 여유있게 자선을 따라 떠내려 간다.

신경전류의 마지막 부분은 주의를 요구한다. 신경섬유가 다른 신경섬유의 충격에 의해 흥분되는 것처럼, 다른 섬유로부터의 충격을 금지함으로써 반응을 막을 수 있다는 사실을 상기하라. 그 상황은 여러분이 자신의 충격을 만들거나 혹은 만들지 못하는 단 하나의 섬유질상에서 모두 끝나는 몇 개의 "입력" 신경섬유에 관해 생각한다면 명백해질 수 있다 (그림 3). 모든 신경은 "full-on" 이나 혹은 "full-off" 조건내에서 수행한다. 그것은 만약 받아들인 자극이 "역치 (threshold)" 라고 알려진 어떤 전압과 같지 않거나 혹은 초과하지 않는다면 full on 으로 들어가지 않는다. 여러 개의 입력섬유 중 어떤 하나로부터의 자극이 역치 밑에 있다고 가정하자. 다음 섬유는 입력섬유 중의 어떤 것에 의해서도 흥분되지 않는다. 그러나 만약 입력섬유 중 두 가지가 똑같은 순간에 행동한다면, 그리고 그것들의 자극전압의 합이 역치값을 초과한다면 자극이 나타난다. 마찬가지로 역치를 초과하는 세 개의 입력 자극이나 그 이상을 한꺼번에 얻는다. 이런 방법으로 충격의 상대적인 시간은 그것들의 힘만큼이나 중대한 요인이 된다.

그림 3 하나의 신경은 많은 다른 것들에 의해 자극받게 된다. 이 그림은 입력으로 4 개의 펄스를 받아 출력으로 하나의 펄스를 내보내는 보습을 나타낸다. 만일 모든 입력이 동시에 출력되어야 한다면, 마치 4 개의 입력을 갖는 "그리고" 회로와 같다.

물론, 이런 복잡한 것은 몇 개의 신경섬유의 접합점에서 나타날 수 있는 사건의 다양성을 크게 확대시킨다. 이것으로 문제가 끝난 것은 아니다. 어떤 신경섬유는 "금지의" 전위를 생성할 수 있는데 그 전위는 다른 섬유질에 의해서 동시에 전달되는 정상적인 "자극 (pulse)" 을 방해한다. 이런 방법으로, 반응을 나타내기에 충분한 하나의 커다란 자극은 하나 혹은 그 이상의 "금지" 자극이 동시에 존재함으로써 역치 이하에서 잘려지고, 뒤이어 오는 행동은 어떤 것이든 나타나지 않는다.

http://www.aistudy.co.kr/computer/working_fink.htm