뇌는 어떻게 세상을 예측할까? 베이지안 추론 기계로서의 뇌

뇌는 어떻게 세상을 예측할까? 베이지안 추론 기계로서의 뇌

우리의 뇌가 세상을 인식하는 방식이 사실은 정교한 확률 계산에 기반한다는 사실을 아시나요? 뇌과학과 통계학이 만나는 흥미로운 지점, 바로 베이지안 추론(Bayesian inference)의 관점에서 인간의 뇌와 의식을 바라보는 시각입니다.


베이지안 추론이라는 개념은 단순히 수학적 도구를 넘어, 우리 뇌가 불확실한 세상 속에서 어떻게 최적의 예측을 하고 경험을 통해 학습하는지를 설명하는 강력한 틀을 제공합니다. 오늘 지식의 우주에서는 베이지안 추론이 무엇인지, 그리고 우리의 뇌가 어떻게 이 원리를 이용해 현실을 만들어내는지 쉽고 재미있게 탐험해 보겠습니다.

뇌는 어떻게 세상을 예측할까? 베이지안 추론 기계로서의 뇌

베이지안 추론이란 무엇일까?

베이지안 추론은 한마디로 새로운 정보를 바탕으로 기존의 믿음을 합리적으로 수정해나가는 과정입니다. 이름은 조금 어렵게 들릴 수 있지만, 사실 우리는 일상생활 속에서 끊임없이 베이지안 추론을 하고 있습니다.


베이지안 추론의 핵심에는 세 가지 요소가 있습니다.

• 사전 확률 (Prior probability): 어떤 사건에 대해 우리가 이미 가지고 있는 믿음이나 지식입니다. 예를 들어, 처음 보는 식당에 대해 막연히 맛이 평범할 것이라고 생각하는 것이 사전 확률입니다.

• 가능도 (Likelihood): 새롭게 얻은 정보가 우리가 가진 믿음 하에서 얼마나 그럴듯한지를 나타내는 값입니다. 식당에서 맛있는 냄새가 난다면, 맛이 좋을 가능도가 높아지는 것입니다.

• 사후 확률 (Posterior probability): 사전 확률과 가능도를 결합하여 새롭게 업데이트된 믿음입니다. 맛있는 냄새라는 정보를 바탕으로, 그 식당이 맛집일 것이라는 믿음은 이전보다 더 강해집니다.

이처럼 베이지안 추론은 불확실한 상황에서 새로운 증거를 통해 우리의 믿음을 계속해서 갱신하는 동적인 과정입니다. 처음에는 막연했던 추측이 구체적인 정보를 만날수록 점점 더 정확한 예측으로 발전해나가는 것이죠.


이는 토마스 베이즈 목사가 정립한 베이즈 정리에 수학적 기반을 두고 있습니다.

베이지안추론

여기서 P(H|E)는 사후 확률(증거 E가 주어졌을 때 가설 H가 사실일 확률), P(H)는 사전 확률(가설 H에 대한 기존의 믿음), P(E|H)는 가능도(가설 H가 사실일 때 증거 E가 나타날 확률), P(E)는 증거의 확률을 의미합니다.

뇌, 세상을 예측하는 베이지안 기계

최근 뇌과학 분야에서는 우리의 뇌가 세상을 인식하고 반응하는 방식이 베이지안 추론 모델과 놀랍도록 유사하다는 주장이 힘을 얻고 있습니다. 이를 베이지안 뇌 가설(Bayesian brain hypothesis)이라고 부릅니다. 이 가설에 따르면, 뇌는 불완전한 감각 정보를 바탕으로 세상에 대한 최적의 추측을 만들어내는 예측 기계와 같습니다.


우리가 무언가를 본다는 것은 단순히 눈을 통해 들어온 시각 정보를 그대로 받아들이는 과정이 아닙니다. 뇌는 과거의 경험과 지식(사전 확률)을 바탕으로 지금 눈앞에 무엇이 있을지에 대한 예측을 미리 만들어 놓습니다. 그리고 실제로 들어오는 시각 정보(가능도)와 이 예측을 비교하죠. 만약 예측과 실제 정보가 일치하면 우리는 세상을 안정적으로 인식합니다.


하지만 예측과 정보 사이에 차이, 즉 예측 오류(prediction error)가 발생하면 뇌는 이 오류를 줄이는 방향으로 내부 모델을 수정하고 새로운 예측을 내놓습니다. 이것이 바로 베이지안 추론의 사후 확률을 계산하는 과정과 같습니다.

• 예측과 현실의 조율: 뇌는 끊임없이 세상에 대한 가설을 세우고, 감각 데이터와 비교하며 가설을 수정합니다.

• 착시 현상의 비밀: 많은 착시 현상은 뇌의 사전 믿음이 감각 정보보다 더 강하게 작용하여 발생하는 베이지안 추론의 결과로 설명될 수 있습니다.

• 학습과 경험의 역할: 경험이 쌓일수록 뇌의 사전 확률 모델은 더욱 정교해지고, 더 정확한 예측을 할 수 있게 됩니다. 이는 우리가 새로운 기술을 배우거나 환경에 적응하는 과정을 설명해 줍니다.

예를 들어, 어두운 방에서 희미한 형체를 보고 고양이라고 생각하는 것은, 그 방에 고양이가 자주 나타났다는 과거의 경험(강력한 사전 확률)이 불분명한 시각 정보(낮은 가능도)를 해석하는 데 큰 영향을 미쳤기 때문입니다. 이처럼 우리의 의식과 지각은 객관적인 현실을 그대로 비추는 거울이라기보다, 뇌가 적극적으로 만들어낸 최선의 추측에 가깝다고 할 수 있습니다.

뇌를 베이지안 추론 기계로 바라보는 관점

베이지안 추론과 인간 의식의 미래

뇌를 베이지안 추론 기계로 바라보는 관점은 정신분열증이나 자폐 스펙트럼 장애와 같은 일부 정신 질환을 이해하는 데에도 새로운 통찰을 제공합니다. 예를 들어, 정신분열증의 환각은 뇌의 사전 예측이 너무 강해 실제 감각 정보를 압도하기 때문에 발생할 수 있고, 자폐 스펙트럼은 반대로 사전 예측이 약해 감각 정보의 홍수 속에서 세상의 규칙성을 파악하기 어려운 상태로 설명되기도 합니다.


이처럼 베이지안 뇌 가설은 인간의 지각, 학습, 의사결정, 그리고 의식의 본질에 대한 근본적인 질문에 답할 수 있는 중요한 열쇠를 쥐고 있습니다. 뇌가 정보를 처리하는 방식을 이해하는 것은 곧 인공지능(AI) 개발에도 큰 영감을 줍니다. 실제로 많은 최신 AI 기술은 베이지안 통계학의 원리를 적극적으로 활용하고 있습니다.

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지식의 우주 코멘트

우리의 뇌가 매 순간 수많은 가능성을 저울질하며 최적의 현실을 예측하고 있다는 사실이 정말 놀랍지 않으신가요? 불확실함 속에서 믿음을 업데이트하며 세상을 이해해나가는 베이지안 추론의 원리가 우리 뇌의 작동 방식과 닮아있다는 것은, 어쩌면 우리 존재 자체가 끊임없는 배움과 적응의 과정임을 보여주는 것 같습니다.


다음번엔 당연하게 여겼던 나의 생각과 감각이 사실은 뇌가 만들어낸 치열한 추론의 결과물일 수 있다는 점을 떠올려보는 건 어떨까요?