This article describes a process theory based on active inference and belief propagation. Starting from the premise that all neuronal processing (and action selection) can be explained by maximizing Bayesian model evidence-or minimizing variational free energy-we ask whether neuronal responses can be described as a gradient descent on variational free energy. Using a standard (Markov decision process) generative model, we derive the neuronal dynamics implicit in this description and reproduce a remarkable range of well-characterized neuronal phenomena. These include repetition suppression, mismatch negativity, violation responses, place-cell activity, phase precession, theta sequences, theta-gamma coupling, evidence accumulation, race-to-bound dynamics, and transfer of dopamine responses. Furthermore, the (approximately Bayes' optimal) behavior prescribed by these dynamics has a degree of face validity, providing a formal explanation for reward seeking, context learning, and epistemic foraging. Technically, the fact that a gradient descent appears to be a valid description of neuronal activity means that variational free energy is a Lyapunov function for neuronal dynamics, which therefore conform to Hamilton's principle of least action.

This paper considers agency in the setting of embodied or active inference. In brief, we associate a sense of agency with prior beliefs about action and ask what sorts of beliefs underlie optimal behavior. In particular, we consider prior beliefs that action minimizes the Kullback-Leibler (KL) divergence between desired states and attainable states in the future. This allows one to formulate bounded rationality as approximate Bayesian inference that optimizes a free energy bound on model evidence. We show that constructs like expected utility, exploration bonuses, softmax choice rules and optimism bias emerge as natural consequences of this formulation. Previous accounts of active inference have focused on predictive coding and Bayesian filtering schemes for minimizing free energy. Here, we consider variational Bayes as an alternative scheme that provides formal constraints on the computational anatomy of inference and action-constraints that are remarkably consistent with neuroanatomy. Furthermore, this scheme contextualizes optimal decision theory and economic (utilitarian) formulations as pure inference problems. For example, expected utility theory emerges as a special case of free energy minimization, where the sensitivity or inverse temperature (of softmax functions and quantal response equilibria) has a unique and Bayes-optimal solution-that minimizes free energy. This sensitivity corresponds to the precision of beliefs about behavior, such that attainable goals are afforded a higher precision or confidence. In turn, this means that optimal behavior entails a representation of confidence about outcomes that are under an agent's control.

This paper considers goal-directed decision-making in terms of embodied or active inference. We associate bounded rationality with approximate Bayesian inference that optimizes a free energy bound on model evidence. Several constructs such as expected utility, exploration or novelty bonuses, softmax choice rules and optimism bias emerge as natural consequences of free energy minimization. Previous accounts of active inference have focused on predictive coding . In this paper, we consider variational Bayes as a scheme that the brain might use for approximate Bayesian inference. This scheme provides formal constraints on the computational anatomy of inference and action, which appear to be remarkably consistent with neuroanatomy. Active inference contextualizes optimal decision theory within embodied inference, where goals become prior beliefs. For example, expected utility theory emerges as a special case of free energy minimization, where the sensitivity or inverse temperature (associated with softmax functions and quantal response equilibria) has a unique and Bayes-optimal solution. Crucially, this sensitivity corresponds to the precision of beliefs about behaviour. The changes in precision during variational updates are remarkably reminiscent of empirical dopaminergic responses—and they may provide a new perspective on the role of dopamine in assimilating reward prediction errors to optimize decision-making.

Abstract Understanding the visual world is a constructive process. Whilst a frontal-hippocampal circuit is known to be essential for this task, little is known about the associated neuronal computations. Visual understanding appears superficially distinct from other known functions of this circuit, such as spatial reasoning and model-based planning, but recent models suggest deeper computational similarities. Here, using fMRI, we show that representations of a simple visual scene in these brain regions are relational and compositional – key computational properties theorised to support rapid construction of hippocampal maps. Using MEG, we show that rapid sequences of representations, akin to replay in spatial navigation and planning problems, are also engaged in visual construction. Whilst these sequences have previously been proposed as mechanisms to plan possible futures or learn from the past, here they are used to understand the present. Replay sequences form constructive hypotheses about possible scene configurations. These hypotheses play out in an optimal order for relational inference, progressing from predictable to uncertain scene elements, gradually constraining possible configurations, and converging on the correct scene configuration. Together, these results suggest a computational bridge between apparently distinct functions of hippocampal-prefrontal circuitry, and a role for generative replay in constructive inference and hypothesis testing.

Abstract Humans often face sequential decision-making problems, in which information about the environmental reward structure is detached from rewards for a subset of actions. In the current exploratory study, we introduce an information-selective symmetric reversal bandit task to model such situations and obtained choice data on this task from 24 participants. To arbitrate between different decision-making strategies that participants may use on this task, we developed a set of probabilistic agent-based behavioral models, including exploitative and explorative Bayesian agents, as well as heuristic control agents. Upon validating the model and parameter recovery properties of our model set and summarizing the participants’ choice data in a descriptive way, we used a maximum likelihood approach to evaluate the participants’ choice data from the perspective of our model set. In brief, we provide quantitative evidence that participants employ a belief state-based hybrid explorative-exploitative strategy on the information-selective symmetric reversal bandit task, lending further support to the finding that humans are guided by their subjective uncertainty when solving exploration-exploitation dilemmas.

Abstract Adaptive behaviours depend on dynamically updating internal representations of the world based on the ever-changing environmental contingencies. People with a substance use disorder (pSUD) show maladaptive behaviours with high persistence in drug-taking, despite severe negative consequences. We recently proposed a salience misattribution model for addiction (SMMA; Kalhan et al., (2021)), arguing that pSUD have aberrations in their updating processes where drug cues are misattributed as strong predictors of positive outcomes, but weaker predictors of negative outcomes. We also argue that conversely, non-drug cues are misattributed as weak predictors of positive outcomes, but stronger predictors of negative outcomes. However, these hypotheses need to be empirically tested. Here we used a multi-cue reversal learning task, with reversals in whether drug or non-drug cues are currently relevant in predicting the outcome (monetary win or loss). We show that compared to controls, people with a tobacco use disorder (pTUD), do form misaligned internal representations. We found that pTUD updated less towards learning the drug cue’s relevance in predicting a loss. Further, when neither drug nor non-drug cue predicted a win, pTUD updated more towards the drug cue being relevant predictors of that win. Our Bayesian belief updating model revealed that pTUD had a low estimated likelihood of non-drug cues being predictors of wins, compared to drug cues, which drove the misaligned updating. Overall, several hypotheses of the SMMA were supported, but not all. Our results implicate that strengthening the non-drug cue association with positive outcomes may help restore the misaligned internal representation in pTUD.

Within computational neuroscience, the algorithmic and neural basis of structure learning remains poorly understood. Concept learning is one primary example, which requires both a type of internal model expansion process (adding novel hidden states that explain new observations), and a model reduction process (merging different states into one underlying cause and thus reducing model complexity via meta-learning). Although various algorithmic models of concept learning have been proposed within machine learning and cognitive science, many are limited to various degrees by an inability to generalize, the need for very large amounts of training data, and/or insufficiently established biological plausibility. Using concept learning as an example case, we introduce a novel approach for modeling structure learning – and specifically state-space expansion and reduction – within the active inference framework and its accompanying neural process theory. Our aim is to demonstrate its potential to facilitate a novel line of active inference research in this area. The approach we lay out is based on the idea that a generative model can be equipped with extra (hidden state or cause) ‘slots’ that can be engaged when an agent learns about novel concepts. This can be combined with a Bayesian model reduction process, in which any concept learning – associated with these slots – can be reset in favor of a simpler model with higher model evidence. We use simulations to illustrate this model’s ability to add new concepts to its state space (with relatively few observations) and increase the granularity of the concepts it currently possesses. We also simulate the predicted neural basis of these processes. We further show that it can accomplish a simple form of ‘one-shot’ generalization to new stimuli. Although deliberately simple, these simulation results highlight ways in which active inference could offer useful resources in developing neurocomputational models of structure learning. They provide a template for how future active inference research could apply this approach to real-world structure learning problems and assess the added utility it may offer.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Humans’ ability for generalisation is outstanding. Our previous research has demonstrated that humans can generalise over tasks that share the same statistical rules (structural form) that govern the relational structure between states within a task. Studies suggest that the brain represents non-spatial tasks’ structure similarly to the representation of spatial tasks and have highlighted the entorhinal cortex (EC) as a possible neural substrate for this structural generalisation. EC spatial representation generalises across environment’s size and shape. However, in non-spatial domains this was only shown across tasks with the exact same underlying graphs. Here we show with fMRI that EC representations generalise across complex non-spatial tasks that share a hexagonal grid structural form but differ in their size and sensory stimuli, i.e. their only shared feature is the rule governing their statistical structure.

Successful behaviour depends on the right balance between maximising reward and soliciting information about the world. Here, we show how different types of information-gain emerge when casting behaviour as surprise minimisation. We present two distinct mechanisms for goal-directed exploration that express separable profiles of active sampling to reduce uncertainty. ‘Hidden state’ exploration motivates agents to sample unambiguous observations to accurately infer the (hidden) state of the world. Conversely, ‘model parameter’ exploration, compels agents to sample outcomes associated with high uncertainty, if they are informative for their representation of the task structure. We illustrate the emergence of these types of information-gain, termed active inference and active learning, and show how these forms of exploration induce distinct patterns of ‘Bayes-optimal’ behaviour. Our findings provide a computational framework to understand how distinct levels of uncertainty induce different modes of information-gain in decision-making.