现象学是对有意识经验的严格描述性研究。最近对侯赛利亚现象学形式化的尝试为我们提供了一种数学模型，这是先验知识和期望的函数。在本文中，我们通过主动推理的镜头重新检查了侯赛利亚现象学的元素。在这样做的过程中，我们旨在推进计算现象学的项目，正如主动推理的支持者最近概述的那样。我们建议，可以将胡塞尔对意识描述的关键方面映射到与主动推理方法相关的生成模型的各个方面。我们首先简要审查主动推论。然后，我们讨论了胡塞尔的现象学，重点是时间意识。最后，我们介绍了从侯赛利亚现象学到主动推断的映射。

自由能原理及其必然的积极推论构成了一种生物启发的理论，该理论假设生物学作用保留在一个受限制的世界首选状态中，即它们最小化自由能。根据这一原则，生物学家学习了世界的生成模型和未来的计划行动，该模型将使代理保持稳态状态，以满足其偏好。该框架使自己在计算机中实现，因为它理解了使其计算负担得起的重要方面，例如变异推断和摊销计划。在这项工作中，我们研究了深度学习的工具，以设计和实现基于主动推断的人造代理，对自由能原理进行深入学习的呈现，调查工作与机器学习和主动推理领域相关，以及讨论实施过程中涉及的设计选择。该手稿探究了积极推理框架的新观点，将其理论方面扎根于更务实的事务中，为活跃推理的新手提供了实用指南，并为深度学习从业人员的起点提供了研究，以调查自由能源原则的实施。

积极推断是复杂系统中的认知和行为的叙述，它在贝叶斯推论的理论地幔下举起动作，感知和学习。积极的推论已经看到学术研究中的应用越来越多，特别是在寻求模拟人类或动物行为的领域。虽然近年来，来自有效推理文献产生的一些代码已经用Python和Julia这样的开源语言编写，迄今为止，用于模拟活动推理代理的最流行的软件是SPM，Matlab库的DEM工具箱最初开发用于神经影像数据的统计分析和建模。因此，在纯粹的数字和科学学科的应用程序方面，表现出对积极推断的兴趣，因此为在开源科学计算语言中模拟了激活推论的通用，广泛可用的和用户友好的代码，这一切都表现为纯粹的数字以及跨科学学科的应用程序。像python。我们在这里呈现的Python包，Pymdp（参见https://github.com/fifer-active/pymdp）表示朝这个方向的重要一步：即，我们提供了用于模拟有源推断的第一个开源包，部分 - 可观察的马尔可夫决策过程或POMDPS。我们查看包的结构，并解释了模块化设计和定制等优点，同时提供沿着文本代码块，以便演示如何使用它以轻松地构建和运行主动推断过程。我们开发了PyMDP，以增加有效推理框架的可访问性和暴露于有多种纪律背景的研究人员，工程师和开发人员。本着开源软件的精神，我们也希望它在不断增长的积极推理界中产生新的创新，发展和合作。

This white paper lays out a vision of research and development in the field of artificial intelligence for the next decade (and beyond). Its denouement is a cyber-physical ecosystem of natural and synthetic sense-making, in which humans are integral participants$\unicode{x2014}$what we call ''shared intelligence''. This vision is premised on active inference, a formulation of adaptive behavior that can be read as a physics of intelligence, and which inherits from the physics of self-organization. In this context, we understand intelligence as the capacity to accumulate evidence for a generative model of one's sensed world$\unicode{x2014}$also known as self-evidencing. Formally, this corresponds to maximizing (Bayesian) model evidence, via belief updating over several scales: i.e., inference, learning, and model selection. Operationally, this self-evidencing can be realized via (variational) message passing or belief propagation on a factor graph. Crucially, active inference foregrounds an existential imperative of intelligent systems; namely, curiosity or the resolution of uncertainty. This same imperative underwrites belief sharing in ensembles of agents, in which certain aspects (i.e., factors) of each agent's generative world model provide a common ground or frame of reference. Active inference plays a foundational role in this ecology of belief sharing$\unicode{x2014}$leading to a formal account of collective intelligence that rests on shared narratives and goals. We also consider the kinds of communication protocols that must be developed to enable such an ecosystem of intelligences and motivate the development of a shared hyper-spatial modeling language and transaction protocol, as a first$\unicode{x2014}$and key$\unicode{x2014}$step towards such an ecology.

主动推断是建模生物学和人造药物的行为的概率框架，该框架源于最小化自由能的原理。近年来，该框架已成功地应用于各种情况下，其目标是最大程度地提高奖励，提供可比性，有时甚至是卓越的性能与替代方法。在本文中，我们通过演示如何以及何时进行主动推理代理执行最佳奖励的动作来阐明奖励最大化和主动推断之间的联系。确切地说，我们展示了主动推理为Bellman方程提供最佳解决方案的条件 - 这种公式是基于模型的增强学习和控制的几种方法。在部分观察到的马尔可夫决策过程中，标准的主动推理方案可以为计划视野1的最佳动作产生最佳动作，但不能超越。相比之下，最近开发的递归活跃推理方案（复杂的推理）可以在任何有限的颞范围内产生最佳作用。我们通过讨论主动推理和强化学习之间更广泛的关系来补充分析。

有效计划的能力对于生物体和人造系统都是至关重要的。在认知神经科学和人工智能（AI）中广泛研究了基于模型的计划和假期，但是从不同的角度来看，以及难以调和的考虑（生物现实主义与可伸缩性）的不同意见（生物现实主义与可伸缩性）。在这里，我们介绍了一种新颖的方法来计划大型POMDP（Active Tree search（ACT）），该方法结合了神经科学中领先的计划理论的规范性特征和生物学现实主义（主动推论）和树木搜索方法的可扩展性AI。这种统一对两种方法都是有益的。一方面，使用树搜索可以使生物学接地的第一原理，主动推断的方法可应用于大规模问题。另一方面，主动推理为探索 - 开发困境提供了一种原则性的解决方案，该解决方案通常在树搜索方法中以启发性解决。我们的模拟表明，ACT成功地浏览了对基于抽样的方法，需要自适应探索的问题以及大型POMDP问题“ RockSample”的二进制树，其中ACT近似于最新的POMDP解决方案。此外，我们说明了如何使用ACT来模拟人类和其他解决大型计划问题的人类和其他动物的神经生理反应（例如，在海马和前额叶皮层）。这些数值分析表明，主动树搜索是神经科学和AI计划理论的原则性实现，既具有生物现实主义和可扩展性。

在流行媒体中，人造代理商的意识出现与同时实现人类或超人水平智力的那些相同的代理之间通常存在联系。在这项工作中，我们探讨了意识和智力之间这种看似直观的联系的有效性和潜在应用。我们通过研究与三种当代意识功能理论相关的认知能力：全球工作空间理论（GWT），信息生成理论（IGT）和注意力模式理论（AST）。我们发现，这三种理论都将有意识的功能专门与人类领域将军智力的某些方面联系起来。有了这个见解，我们转向人工智能领域（AI），发现尽管远未证明一般智能，但许多最先进的深度学习方法已经开始纳入三个功能的关键方面理论。确定了这一趋势后，我们以人类心理时间旅行的激励例子来提出方式，其中三种理论中每种理论的见解都可以合并为一个单一的统一和可实施的模型。鉴于三种功能理论中的每一种都可以通过认知能力来实现这一可能，因此，具有精神时间旅行的人造代理不仅具有比当前方法更大的一般智力，而且还与我们当前对意识功能作用的理解更加一致在人类中，这使其成为AI研究的有希望的近期目标。

有效推论是一种数学框架，它起源于计算神经科学，作为大脑如何实现动作，感知和学习的理论。最近，已被证明是在不确定性下存在国家估算和控制问题的有希望的方法，以及一般的机器人和人工代理人的目标驱动行为的基础。在这里，我们审查了最先进的理论和对国家估计，控制，规划和学习的积极推断的实现;描述当前的成就，特别关注机器人。我们展示了相关实验，以适应，泛化和稳健性而言说明其潜力。此外，我们将这种方法与其他框架联系起来，并讨论其预期的利益和挑战：使用变分贝叶斯推理具有功能生物合理性的统一框架。

在本文中，我们在人工代理中介绍了活跃的自我的计算建模叙述。特别是，我们专注于代理人如何配备控制意识以及它在自主位于行动中的方式以及反过来，影响行动控制。我们认为这需要铺设一个体现的认知模型，将自下而上的过程（传感器学习和对控制的细粒度适应）与自上而下的过程（战略选择和决策的认知过程）。我们基于预测处理和自由能量最小化的原理提出了这种概念计算架构。使用此常规模型，我们描述了控制层次结构的级别的控制感以及如何支持在不可预测的环境中的动作控制。我们在模型的实施以及模拟任务场景中的第一评估，其中自主代理必须应对不可预测的情况并经历相应的控制感。我们探讨了不同的型号参数设置，导致不同方式结合低电平和高级动作控制。结果表明，在低/高级动作控制需求的情况下适当加权信息的重要性，并且他们证明了控制的感觉如何促进这一点。

Despite the wealth of empirical data in neuroscience, there are relatively few global theories about how the brain works. A recently proposed free-energy principle for adaptive systems tries to provide a unified account of action, perception and learning. Although this principle has been portrayed as a unified brain theory 1 , its capacity to unify different perspectives on brain function has yet to be established. This Review attempts to place some key theories within the free-energy framework, in the hope of identifying common themes. I first review the free-energy principle and then deconstruct several global brain theories to show how they all speak to the same underlying idea. The free-energy principleThe free-energy principle (BOX 1) says that any selforganizing system that is at equilibrium with its environment must minimize its free energy 2 . The principle is essentially a mathematical formulation of how adaptive systems (that is, biological agents, like animals or brains) resist a natural tendency to disorder [3][4][5][6] . What follows is a non-mathematical treatment of the motivation and implications of the principle. We will see that although the motivation is quite straightforward, the implications are complicated and diverse. This diversity allows the principle to account for many aspects of brain structure and function and lends it the potential to unify different perspectives on how the brain works. In subsequent sections, I discuss how the principle can be applied to neuronal systems as viewed from these perspectives. This Review starts in a rather abstract and technical way but then tries to unpack the basic idea in more familiar terms.Motivation: resisting a tendency to disorder. The defining characteristic of biological systems is that they maintain their states and form in the face of a constantly changing environment [3][4][5][6] . From the point of view of the brain, the environment includes both the external and the internal milieu. This maintenance of order is seen at many levels and distinguishes biological from other self-organizing systems; indeed, the physiology of biological systems can be reduced almost entirely to their homeostasis 7 . More precisely, the repertoire of physiological and sensory states in which an organism can be is limited, and these states define the organism's phenotype. Mathematically, this means that the probability of these (interoceptive and exteroceptive) sensory states must have low entropy; in other words, there is a high probability that a system will be in any of a small number of states, and a low probability that it will be in the remaining states. Entropy is also the average self information or 'surprise' 8 (more formally, it is the negative log-probability of an outcome). Here, 'a fish out of water' would be in a surprising state (both emotionally and mathematically). A fish that frequently forsook water would have high entropy. Note that both surprise and entropy depend on the agen

积极推断是一种用于建模大脑的最先进的框架，用于建立广泛的机制，例如习惯形成，多巴胺能排放和好奇心。然而，当在所有可能的策略上计算到达时间范围之前，最近的实现遭受指数（空间和时间）复杂性等级。 fountas等人。 （2020）使用Monte Carlo树搜索解决这个问题，导致两种不同的任务中的非常好的结果。此外，冠军等人。 （2021A）提出了一种基于结构学习的树搜索方法。这是通过开发通过激活推理方法的变形消息（Champion等，2021b）的变分数，这使得能够对贝叶斯网络的组成构建进行积极推理。然而，这条消息通过树搜索方法，我们呼叫分支时间有源推断（BTAI），从未经验过测试。在本文中，我们在迷宫溶解剂的背景下提出了对方法（Champion等，2021A）的实验研究。在这种情况下，我们表明，改进的先前偏好和更深的搜索都有助于减轻局部最小值的漏洞。然后，我们将BTAI与图形导航任务的标准活动推理（AI）进行比较。我们表明，对于小图形，BTAI和AI都成功解决了任务。对于较大的图表，AI展示了指数（空间）复杂性等级，使得该方法是棘手的。但是，BTAI更有效地探讨了策略的空间，成功地缩放到更大的图形。

Recent progress in artificial intelligence (AI) has renewed interest in building systems that learn and think like people. Many advances have come from using deep neural networks trained end-to-end in tasks such as object recognition, video games, and board games, achieving performance that equals or even beats humans in some respects. Despite their biological inspiration and performance achievements, these systems differ from human intelligence in crucial ways. We review progress in cognitive science suggesting that truly human-like learning and thinking machines will have to reach beyond current engineering trends in both what they learn, and how they learn it. Specifically, we argue that these machines should (a) build causal models of the world that support explanation and understanding, rather than merely solving pattern recognition problems; (b) ground learning in intuitive theories of physics and psychology, to support and enrich the knowledge that is learned; and (c) harness compositionality and learning-to-learn to rapidly acquire and generalize knowledge to new tasks and situations. We suggest concrete challenges and promising routes towards these goals that can combine the strengths of recent neural network advances with more structured cognitive models.

预测性编码提供了对皮质功能的潜在统一说明 - 假设大脑的核心功能是最小化有关世界生成模型的预测错误。该理论与贝叶斯大脑框架密切相关，在过去的二十年中，在理论和认知神经科学领域都产生了重大影响。基于经验测试的预测编码的改进和扩展的理论和数学模型，以及评估其在大脑中实施的潜在生物学合理性以及该理论所做的具体神经生理学和心理学预测。尽管存在这种持久的知名度，但仍未对预测编码理论，尤其是该领域的最新发展进行全面回顾。在这里，我们提供了核心数学结构和预测编码的逻辑的全面综述，从而补充了文献中最新的教程。我们还回顾了该框架中的各种经典和最新工作，从可以实施预测性编码的神经生物学现实的微电路到预测性编码和广泛使用的错误算法的重新传播之间的紧密关系，以及对近距离的调查。预测性编码和现代机器学习技术之间的关系。

在复杂的协作任务上共同努力需要代理商协调他们的行为。在实际交互之前明确或完全执行此操作并不总是可能也不充分。代理人还需要不断了解他人的当前行动，并迅速适应自己的行为。在这里，我们调查我们称之为信仰共鸣的精神状态（意图，目标）的效率，自动协调过程如何导致协作的解决问题。我们为协作剂（HAICA）提出了分层有源推断的模型。它将高效的贝叶斯理论与基于预测处理和主动推断的感知动作系统相结合。通过让一个药物的推断精神状态影响另一个代理人的预测信念来实现信仰共振，从而实现了他自己的目标和意图。这样，推断的精神状态影响了代理人自己的任务行为，没有明确的协作推理。我们在超核域中实施和评估此模型，其中两个代理具有不同程度的信仰共振组合，以满足膳食订单。我们的结果表明，基于HAICA的代理商实现了与最近现有技术方法相当的团队表现，同时产生了更低的计算成本。我们还表明，信仰共振在环境中特别有益，代理商是对环境的不对称知识。结果表明，信仰共振和有效推断允许快速高效的代理协调，因此可以用作合作认知剂的结构块。

我们展示了任何具有自由度和局部自由能的系统如何在自由能原理的限制下，都将发展朝着支持层次结构计算的神经形态形态发展，在该计算中，每个层次结构的每个级别都会构成其投入的粗糙度。，并双重地将其输出的细粒度。这种层次结构发生在整个生物学中，从细胞内信号转导途径的体系结构到哺乳动物大脑中的感知和动作周期的大规模组织。正式地，一方面，锥体 - 康基图（CCCD）作为量子参考帧的模型，另一方面是CCCDS和拓扑量子场理论之间的近距离形式连接，允许在全剂量量子中代表此类计算拓扑量子神经网络的计算框架。

本文展示了单个机制如何通过直接从代理的原始传感器流流层构建层。这种机制，一般值函数（GVF）或“预测”，捕获高级，抽象知识，作为一组关于现有特征和知识的一组预测，其专门基于代理的低级感官和动作。因此，预测提供了将原始传感器数据组织成有用的抽象的表示 - 通过无限数量的层 - AI和认知科学的长寻求目标。本文的核心是一个详细的思想实验，提供了一个具体，逐步的正式说明，逐步的人工代理商如何从其原始的传感器体验中构建真实，有用的抽象知识。知识表示为关于代理人的观察到其行为后果的一组分层预测（预测）。该图示出了十二个独立的图层：最低的原始像素，触摸和力传感器以及少量动作;较高层次增加抽象，最终导致了对代理商世界的丰富知识，对应于门口，墙壁，房间和平面图。然后，我认为这种一般机制可以允许表示广泛的日常人类知识。

这篇理论文章研究了如何在计算机中构建类似人类的工作记忆和思维过程。应该有两个工作记忆存储，一个类似于关联皮层中的持续点火，另一个类似于大脑皮层中的突触增强。这些商店必须通过环境刺激或内部处理产生的新表示不断更新。它们应该连续更新，并以一种迭代的方式进行更新，这意味着在下一个状态下，应始终保留一组共同工作中的某些项目。因此，工作记忆中的一组概念将随着时间的推移逐渐发展。这使每个状态都是对先前状态的修订版，并导致连续的状态与它们所包含的一系列表示形式重叠和融合。随着添加新表示形式并减去旧表示形式，在这些更改过程中，有些保持活跃几秒钟。这种持续活动，类似于人工复发性神经网络中使用的活动，用于在整个全球工作区中传播激活能量，以搜索下一个关联更新。结果是能够朝着解决方案或目标前进的联想连接的中间状态链。迭代更新在这里概念化为信息处理策略，一种思想流的计算和神经生理决定因素以及用于设计和编程人工智能的算法。

分支时间有源推论（Champion等，2021b，a）是一个框架，提议将规划视为贝叶斯模型扩展的形式。它的根源可以在有源推理中找到（Friston等，2016; Da Costa等，2020;冠军等，2021C），一种广泛用于脑建模的神经科学框架，以及蒙特卡罗树搜索（布朗等人，2012），一种广泛应用于加强学习文学的方法。到目前为止，通过利用变形消息通过（WinN和Bishop，2005）提供的灵活性来执行潜在变量的推断，该迭代过程可以被理解为沿着因子图的边缘发送消息（福尼，2001年）。在本文中，我们利用了替代方法的推理效率称为贝叶斯滤波（Fox等，2003），其不需要更新方程的迭代，直到变分自由能的收敛。相反，该方案在两个阶段交替交替：整合证据和未来国家的预测。这两个相可以有效地执行，并且这提供了通过最先进的七十倍的加速。

一个令人着迷的假设是，人类和动物的智力可以通过一些原则（而不是启发式方法的百科全书清单）来解释。如果这个假设是正确的，我们可以更容易地理解自己的智能并建造智能机器。就像物理学一样，原理本身不足以预测大脑等复杂系统的行为，并且可能需要大量计算来模拟人类式的智力。这一假设将表明，研究人类和动物所剥削的归纳偏见可以帮助阐明这些原则，并为AI研究和神经科学理论提供灵感。深度学习已经利用了几种关键的归纳偏见，这项工作考虑了更大的清单，重点是关注高级和顺序有意识的处理的工作。阐明这些特定原则的目的是，它们有可能帮助我们建立从人类的能力中受益于灵活分布和系统概括的能力的AI系统，目前，这是一个领域艺术机器学习和人类智力。

We advance a novel computational model of multi-agent, cooperative joint actions that is grounded in the cognitive framework of active inference. The model assumes that to solve a joint task, such as pressing together a red or blue button, two (or more) agents engage in a process of interactive inference. Each agent maintains probabilistic beliefs about the goal of the joint task (e.g., should we press the red or blue button?) and updates them by observing the other agent's movements, while in turn selecting movements that make his own intentions legible and easy to infer by the other agent (i.e., sensorimotor communication). Over time, the interactive inference aligns both the beliefs and the behavioral strategies of the agents, hence ensuring the success of the joint action. We exemplify the functioning of the model in two simulations. The first simulation illustrates a ''leaderless'' joint action. It shows that when two agents lack a strong preference about their joint task goal, they jointly infer it by observing each other's movements. In turn, this helps the interactive alignment of their beliefs and behavioral strategies. The second simulation illustrates a "leader-follower" joint action. It shows that when one agent ("leader") knows the true joint goal, it uses sensorimotor communication to help the other agent ("follower") infer it, even if doing this requires selecting a more costly individual plan. These simulations illustrate that interactive inference supports successful multi-agent joint actions and reproduces key cognitive and behavioral dynamics of "leaderless" and "leader-follower" joint actions observed in human-human experiments. In sum, interactive inference provides a cognitively inspired, formal framework to realize cooperative joint actions and consensus in multi-agent systems.