Teorie BCM, synaptická modifikace BCM nebo pravidlo BCM, pojmenované podle Elieho Bienenstocka, Leona Coopera a Paula Munroa, je fyzikální teorie učení ve zrakové kůře vyvinutá v roce 1981. Díky svým úspěšným experimentálním předpovědím je tato teorie pravděpodobně dosud nejpřesnějším modelem synaptické plasticity [Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text].
V roce 1949 navrhl Donald Hebb funkční mechanismus paměti a výpočetní adaptace v mozku, který se nazývá Hebbovo učení, nebo-li tvrzení, že buňky, které se střílejí společně, se zapojují společně. Tento zákon se stal základem mozku jako moderní neuronové sítě, teoreticky schopné Turingovy úplné výpočetní složitosti [Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text], a stal se tak standardním materialistickým modelem mysli.
Hebbovo pravidlo má však problémy, a sice že nemá žádný mechanismus pro oslabení spojení a žádnou horní hranici pro to, jak silná mohou být. Jinými slovy, model je teoreticky i výpočetně nestabilní. Pozdější modifikace postupně Hebbovo pravidlo vylepšily, normalizovaly a umožnily rozpad synapsí, kdy žádná aktivita nebo nesynchronizovaná aktivita mezi neurony vede ke ztrátě síly spojení. Nové biologické poznatky přivedly tuto aktivitu na vrchol v 70. letech 20. století, kdy teoretici formalizovali různá přiblížení v teorii, například použití frekvence vypalování místo potenciálu při určování excitace neuronu a předpoklad ideální a hlavně lineární synaptické integrace signálů. To znamená, že při sčítání vstupních proudů, které určují, zda buňka zapálí, nebo ne, nedochází k žádnému neočekávanému chování.
Tyto aproximace vyústily v základní podobu BCM níže v roce 1979, ale poslední krok přišel v podobě matematické analýzy k prokázání stability a výpočetní analýzy k prokázání použitelnosti, která vyvrcholila v článku Bienenstocka, Coopera a Munroa z roku 1982.
Od té doby experimenty prokázaly chování BCM jak ve zrakové kůře, tak v hipokampu, který hraje důležitou roli při vytváření a ukládání vzpomínek. Obě tyto oblasti jsou dobře experimentálně prozkoumány, ale teorie i experiment dosud neprokázaly přesvědčivé synaptické chování v jiných oblastech mozku. Navíc biologický mechanismus synaptické plasticity v BCM dosud nebyl stanoven.
Základní pravidlo BCM má podobu
kde je synaptická váha třetí synapse, je vstupní proud této synapse, je vážený vektor presynaptického výstupu, je postsynaptická aktivační funkce, která mění znaménko při určitém výstupním prahu, a je (často zanedbatelná) časová konstanta rovnoměrného rozpadu všech synapsí.
Tento model je pouze modifikovanou formou Hebbova pravidla učení, , a vyžaduje vhodnou volbu aktivační funkce, respektive výstupního prahu, aby se předešlo problémům s nestabilitou Hebbova pravidla. Tento práh byl v BCM přísně odvozen s tím, že s a aproximací průměrného výstupu , aby bylo učení stabilní, stačí, aby
nebo ekvivalentně, že práh , kde a jsou pevné kladné konstanty.
Při implementaci se teorie často bere tak, že
kde úhlové závorky představují časový průměr a časovou konstantu selektivity.
Tento model má nevýhody, protože vyžaduje jak dlouhodobou potenciaci, tak dlouhodobou depresi, neboli zvýšení a snížení synaptické síly, což nebylo pozorováno ve všech korových systémech. Dále vyžaduje proměnlivý aktivační práh a silně závisí na stabilitě vybraných pevných bodů a . Silnou stránkou modelu je však to, že všechny tyto požadavky zahrnuje z nezávisle odvozených pravidel stability, jako je normovatelnost a funkce rozpadu s časem úměrným kvadrátu výstupu.
První významné experimentální potvrzení BCM přišlo v roce 1992 při zkoumání LTP a LTD v hipokampu. Data ukázala kvalitativní shodu s konečnou podobou aktivační funkce BCM. Tento experiment byl později replikován ve zrakové kůře, kde byla BCM původně navržena k modelování Tato práce poskytla další důkaz o nutnosti variabilní prahové funkce pro stabilitu v učení hebbovského typu (BCM nebo jiné).
Experimentální důkazy nebyly pro BCM specifické, dokud Rittenhouse a spol. nepotvrdili BCM předpověď modifikace synapsí ve zrakové kůře při selektivním zavření jednoho oka. Konkrétně se jednalo o tzv,
kde popisuje rozptyl spontánní aktivity nebo šumu v zavřeném oku a je čas od zavření oka. Experiment souhlasil s obecným tvarem této předpovědi a poskytl vysvětlení dynamiky monokulárního zavírání očí oproti binokulárnímu zavírání očí. Experimentální výsledky nejsou zdaleka přesvědčivé, ale zatím upřednostňují BCM před konkurenčními teoriemi plasticity.
Algoritmus BCM je sice příliš složitý pro rozsáhlé paralelní distribuované zpracování, ale s určitým úspěchem byl použit v laterálních sítích. Kromě toho byly některé stávající algoritmy učení počítačových sítí upraveny tak, aby odpovídaly učení BCM.