거대 언어 모델(LLM)의 문맥적 임베딩이 실제 대화 중인 인간의 뇌 신경 활동과 선형적으로 정렬된다는 연구 결과가 발표되었습니다. 연구팀은 LLM의 내부 표현이 인간의 언어 이해 및 생성 과정을 설명하는 강력한 프레임워크가 될 수 있음을 증명했습니다. 결과적으로 이는 LLM이 단순히 성능이 뛰어난 도구를 넘어, 인간의 복잡한 언어 처리 메커니즘을 해독하는 핵심적인 열쇠로 작용할 수 있음을 시사합니다.

LLM과 인간 뇌의 언어 처리 유사성

기존의 심리언어학 모델은 상징적인 문법 규칙에 의존했으나, LLM은 다음 단어 예측과 강화 학습을 통해 언어의 통계적 구조를 다차원 임베딩 공간에 인코딩합니다.
구글 리서치와 프린스턴 대학교 등 공동 연구진은 5년간의 연구를 통해 모델의 내부 표현(임베딩)과 자유로운 대화 중 발생하는 뇌 신경 활동 사이의 유사성을 탐구했습니다.
연구 결과, 모델의 단어 수준 임베딩이 인간의 언어 중추인 브로카 영역(Broca’s area)과 상측두회(STG) 등의 활동 패턴과 긴밀하게 일치함을 확인했습니다.

Whisper 모델을 통한 신경망 분석 및 정렬

Transformer 기반의 음성-텍스트 변환 모델인 'Whisper'를 활용해 실제 대화 중인 피험자의 뇌 신호와의 상관관계를 분석했습니다.
분석을 위해 모델의 음성 인코더에서 추출한 '음성(Speech) 임베딩'과 디코더에서 추출한 단어 기반 '언어(Language) 임베딩'을 사용했습니다.
두개강 내 전극(Intracranial electrodes)으로 측정된 뇌 활동 데이터에 선형 변환을 적용하여, 모델의 임베딩 값으로 뇌의 신경 신호를 예측하는 모델을 구축했습니다.

언어 이해와 생성의 신경학적 시퀀스

언어 이해(Comprehension): 단어가 들릴 때 먼저 상측두회(STG)에서 음성 임베딩이 신경 활동을 예측하고, 수백 밀리초 후 브로카 영역(IFG)에서 언어 임베딩이 의미 해독 과정을 예측하는 순차적 흐름을 보입니다.
언어 생성(Production): 단어를 뱉기 약 500밀리초 전, 브로카 영역에서 언어 임베딩이 활동을 예측하며 발화를 계획합니다. 이후 운동 피질(MC)에서 음성 임베딩이 조음 과정을 예측하는 역순의 역동성이 관찰됩니다.
자기 모니터링: 발화 직후에는 자신의 목소리를 듣고 모니터링하기 위해 상측두회의 청각 영역에서 다시 한번 음성 임베딩과 신경 활동의 정렬이 나타납니다.

이 연구는 인공지능의 내부 메커니즘이 인간의 생물학적 언어 처리 과정을 모사하고 있음을 보여줍니다. 따라서 향후 뇌 기능 장애의 이해나 더 정교한 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 개발에 LLM의 임베딩 구조를 활용하는 것이 매우 효과적인 전략이 될 것입니다.