Understanding the developmental mechanism of functional organizations in the visual pathway has provided insight into the emergence of intelligence in the brain. For example, as the functional unit processing the basic visual function, neurons in the primary visual cortex (V1) are tuned to the orientation of visual stimuli, and the preferred orientation of neurons is arranged quasi-periodically across the cortical surface, termed an orientation map. Previously, most studies on the emergence of these functional organizations have focused on the intra-cortical developmental mechanism modulated by the postnatal cortical activity triggered by visual experience. However, several functional organizations have been observed in early developmental stages even before the visual experience, implying that the emergence of these organizations may be initiated by a more fundamental mechanism that can operate without any visual experience. Herein, using a computer simulation of neural network, I show that the emergence of functional organizations could be spontaneously initiated by the haphazard wiring of feedforward projections, even in the absence of any further refining process. The early part shows that the structure of ON and OFF retinal ganglion cell (RGC) mosaics is projected onto V1 by the retino-cortical feedforward mapping. This projection initiates the emergence of three main characteristics of functional maps in V1, including the consistency of spatial periods across animals seeded by an interference pattern of ON and OFF RGC mosaics having a similar period, the development of disparate organizations across species depending on their conditions of retino-cortical mapping, and the systematic organization of diverse functional maps initiated by a common structural source from retinal mosaics. In the later part, the simulation using artificial deep neural networks as a model of further visual pathway shows that a higher cognitive function, in this case number sense, could also be initiated by the feedforward projections of the randomly-initialized network, even in the complete absence of learning. In summary, these results suggest that the emergence of functional circuits processing cognitive functions is solely initiated by the physical structure of feedforward neural networks, shedding light on the origin of the spontaneous emergence of the intelligence.
두뇌의 시각 시스템은 다양한 기능적 신경망 회로들로 구성된다. 대표적으로 일차시각피질의 신경세포들은 특정 방향으로 기울어진 시각 자극에 선택적으로 반응하며, 이들의 선호 방향은 피질 표면에 걸쳐 주기적으로 분포하여 이 구조를 방향성 지도라 한다. 두뇌에서 이러한 기능적 구조가 발생하는 원리에 대해 대부분의 연구에서는 시각 경험의 역할에 초점을 두었다. 하지만 방향성 지도는 시각 경험이 아직 진행되지 않은 생애 초기에도 이미 관찰되며, 이는 시각 자극이 없이도 기능적 구조들을 자발적으로 발생시키는 메커니즘이 존재함을 시사한다. 본 연구에서는 신경망 모델 시뮬레이션을 이용하여 아무런 외부 시각 자극에 대한 경험 없이, 시각 경로의 앞먹임 구조가 형성되는 것 만으로도 시각 시스템의 다양한 기능적 구조가 발생함을 제안한다. 먼저 망막에서 시각피질까지의 앞먹임 신경망 모델을 이용하여, 망막 신경절 세포의 주기적인 분포가 시각피질에 투영되어 기능성 지도의 세 가지 주요 성질이 발생함을 보였다. 방향성 지도는 서로 다른 개체에서 비슷한 주기를 갖는데, 이는 망막 세포의 규칙적인 분포가 일정한 주기의 간섭 무늬를 형성하기 때문이다. 설치류 등 일부 동물 종의 시각피질에서는 방향성 지도 없이 무작위한 구조가 발견되는데, 이는 해당 종의 망막 세포 당 시각피질 세포 수가 적기 때문에 망막 세포의 주기적인 분포가 시각피질에 온전하게 투영되지 못하기 때문이다. 또한 시각피질의 다양한 기능성 지도 간 구조적 상관관계가 발견되는데, 이는 해당 지도들의 구조가 모두 망막 세포 분포라는 공통의 근원적 구조에 의해 정해지기 때문이다. 마지막으로 고등적인 시각 경로에 대한 심층 신경망 모델을 이용하여, 아무런 학습이 이루어지지 않은 초기화된 상태에서 신경망의 앞먹임 구조만에 의해 수 감각과 같은 고등적인 인지 기능까지도 발생함을 보였다. 이를 통해 인지 기능이 아무런 학습 없이 신경망의 구조 자체에 의해 자발적으로 발생할 수 있다는 생애 초기 지능에 대한 새로운 형성 원리를 제안한다.
