Cognition
Inférences
Inférence active et principe de l'énergie libre

Le principe de l'énergie libre et l'inférence active constituent un cadre théorique proposé par Karl Friston pour expliquer comment les organismes interprètent les informations sensorielles, adaptent leurs représentations internes et sélectionnent leurs actions.

• Le principe de l'énergie libre décrit comment un organisme peut maintenir des échanges viables avec son environnement en limitant l'incertitude associée aux informations sensorielles.
• L'inférence active prolonge ce principe en intégrant le rôle de l'action dans ces échanges.

Énergie libre

Le principe de l'énergie libre, proposé par Karl J. Friston, est un cadre théorique qui cherche à expliquer comment un organisme maintient son organisation et s'adapte aux changements de son environnement en minimisant une quantité appelée énergie libre variationnelle.

1. L'énergie libre variationnelle est une grandeur mathématique qui évalue à la fois la capacité d'un modèle génératif à expliquer les informations sensorielles reçues et la complexité des hypothèses probabilistes utilisées pour les expliquer.

a. Elle constitue une limite supérieure de la surprise informationnelle, définie mathématiquement comme le logarithme négatif de la probabilité des observations selon le modèle génératif, cette probabilité étant appelée preuve bayésienne.

La surprise s'écrit $-\ln P(B)$, où $P(B)$ représente la preuve bayésienne du modèle.

b. Cette surprise ne correspond donc pas nécessairement à une sensation consciente d'étonnement ( surprise).

2. L'énergie libre attendue (expected free energy) est une grandeur mathématique utilisée pour évaluer les conséquences futures possibles de différentes politiques d'action.

Elle tient compte à la fois :

• de la probabilité d'obtenir des résultats recherchés par l'organisme
• des informations que ces actions pourraient lui apporter.

Remarque : dans le cadre du principe de l'énergie libre, la couverture de Markov (Markov blanket) distingue les états cachés de l'environnement (ψ), états de l'environnement auxquels le système n'accède pas directement, les états sensoriels (s), les états actifs (a) et les états internes (μ).

Les états sensoriels et actifs constituent l'interface entre l'organisme et son environnement (Life as we know it 2013).

3. Le principe de l'énergie libre propose qu'un organisme, en tant que système biologique auto-organisé, maintienne ses états dans des limites compatibles avec sa survie en minimisant l'énergie libre associée aux informations sensorielles qu'il reçoit (A free energy principle for the brain 2006).

Dans ce cadre, la minimisation de l'énergie libre peut s'effectuer par deux processus complémentaires.

• La perception et l'apprentissage permettent de modifier les estimations des causes des informations sensorielles et, éventuellement, les paramètres du modèle génératif.
• L'action permet de modifier les informations sensorielles reçues en agissant sur l'environnement ou sur les relations de l'organisme avec celui-ci.

4. Le principe de l'énergie libre fournit ainsi un cadre commun à deux approches complémentaires.

• L'hypothèse du cerveau bayésien décrit comment le système nerveux peut estimer les causes probables des informations sensorielles à partir d'un modèle génératif.
• L'inférence active intègre la perception et la sélection des actions dans un même cadre, les actions permettant de modifier les informations sensorielles reçues et de contribuer au maintien de l'organisme dans des états compatibles avec sa survie.

Inférence active

Selon la théorie de l'inférence active, le système nerveux utilise des modèles génératifs internes, dont les paramètres peuvent être modifiés par l'expérience, pour produire des prédictions descendantes (top-down) concernant les informations sensorielles attendues.

Ces modèles permettent également de simuler les conséquences sensorielles de différentes actions possibles avant leur réalisation, afin de contribuer à leur sélection.

Exemple d'inférence active chez le chien

Prenons un exemple : Un chien entend un bruit inhabituel dans le jardin et suite à cela, il peut :

• rester à sa place et écouter plus attentivement,
• ou se déplacer vers l'origine du bruit pour obtenir davantage d'informations, éventuellement grâce à son odorat et à sa vision.

1. La politique d'action correspond à une séquence d'actions envisagées par l'organisme.

2. L'échantillonnage actif (active sampling) désigne le processus par lequel un organisme oriente ses mouvements ou ses organes sensoriels afin de recueillir des informations sur son environnement et de réduire son incertitude.

En se déplaçant vers l'origine du bruit, le chien peut obtenir de nouvelles informations auditives, olfactives ou visuelles qui l'aideront à identifier ce qui l'a provoqué.

3. L'énergie libre attendue intervient dans la sélection des politiques d'action.

a. Le chien peut rester à sa place pour écouter ou se rapprocher du bruit. Chaque possibilité peut lui apporter des informations différentes et avoir des conséquences différentes.

• En se rapprochant, il peut mieux identifier l'origine du bruit, mais aussi s'exposer à un éventuel danger.
• En restant à distance, il évite ce risque, mais peut conserver une incertitude sur l'origine du bruit.

b. Dans le cadre de l'inférence active, l'énergie libre attendue permet de comparer ces possibilités en tenant compte à la fois des informations qu'elles peuvent apporter et de leurs conséquences possibles pour le chien.

Agent et sélection des politiques d'action

1. L'agent est l'organisme qui agit sur son environnement.

a. Dans le cadre de l'inférence active, il sélectionne des politiques d'action, c'est-à-dire des séquences d'actions possibles, en cherchant à minimiser leur énergie libre attendue.

• Cette sélection tient compte à la fois des résultats recherchés et des informations que les actions pourraient lui apporter.
• Les politiques d'action peuvent concerner différents niveaux d'organisation du comportement, depuis la sélection de mouvements et de séquences motrices jusqu'aux décisions et aux interactions sociales adaptées à un contexte donné.

b. L'agent peut également rechercher activement des informations sensorielles en explorant son environnement, selon un processus appelé échantillonnage actif (active sampling), illustré dans l'exemple du chien plus haut.

2. Chez l'homme, la sélection des politiques d'action peut intervenir, par exemple, dans différentes activités (The anatomy of choice: active inference and agency 2013) :

• la qualité des interactions sociales à la maison ou en public,
• la navigation dans l'environnement, à pied ou en conduisant,
• la sélection d'aliments ,
• l'apprentissage d'un instrument de musique,
• dribbler ou passer le ballon dans un jeu collectif…

3. L'inférence active peut être considérée comme une forme incarnée (énactiviste) de codage prédictif, dans laquelle la perception et l'action contribuent à réduire les erreurs de prédiction par des mécanismes différents.

Dans les modèles génératifs, le système nerveux estime des états cachés, c'est-à-dire des propriétés de l'organisme ou de son environnement auxquelles il n'a pas directement accès et qu'il doit déduire des informations sensorielles.

Dans certains modèles dynamiques, des états d'attracteur cachés représentent également les états ou les trajectoires vers lesquels le système est susceptible d'évoluer. Ils contribuent ainsi à la prédiction des changements attendus.

a. Prenons un exemple de réduction d'une erreur de prédiction par la perception : un individu aperçoit au loin un animal qu'il prend initialement pour un chien. Lorsque l'animal se rapproche, il distingue progressivement ses caractéristiques et reconnaît un renard.

• Les nouvelles informations visuelles ne correspondent pas à sa première interprétation.
• Le système nerveux modifie alors son estimation de l'animal observé, ce qui réduit l'erreur de prédiction visuelle.
• Ce mécanisme de correction des estimations internes à partir des erreurs de prédiction est également celui décrit par le codage prédictif perceptif.
• Dans cet exemple, c'est l'estimation interne qui change, et non l'animal observé.

b. Prenons un exemple de réduction d'une erreur de prédiction par l'action : un individu souhaite fléchir son bras, qui est encore tendu (Action understanding and active inference 2011).

• Dans ce modèle, le système nerveux estime les états physiques cachés du bras, comme sa position et son mouvement, à partir des informations sensorielles.
• Des états d'attracteur cachés interviennent également dans la représentation de l'évolution attendue du mouvement, par exemple vers une position fléchie.
• Le système nerveux prédit les sensations proprioceptives correspondant au bras fléchi (état d'attracteur caché dans le modèle dynamique), alors que les informations reçues indiquent qu'il est toujours tendu. Cet écart constitue une erreur de prédiction proprioceptive.
• Cette erreur entraîne, par l'intermédiaire des circuits réflexes moteurs, la contraction des muscles qui fléchissent le bras.
• À mesure que le bras se fléchit, les sensations proprioceptives reçues se rapprochent des sensations prédites, ce qui réduit progressivement l'erreur de prédiction et permet au système nerveux d'actualiser son estimation de la position et du mouvement réels du bras (états physiques cachés).
• Dans cet exemple, c'est la position réelle du bras qui change pour correspondre aux prédictions proprioceptives (Reinforcement learning or active inference? 2009 et Action and behavior: a free-energy formulation 2010).

5. L'inférence active intervient également dans la régulation des états physiologiques de l'organisme.

• L'inférence intéroceptive désigne le processus par lequel le système nerveux utilise les informations provenant du milieu intérieur, comme les signaux cardiovasculaires ou respiratoires, pour estimer l'état physiologique de l'organisme et anticiper ses besoins.
• Dans le cadre de l'inférence active, ces prédictions contribuent à adapter les réponses physiologiques aux situations rencontrées ( exemple : ours ou lapin ?).

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