大脑最重要和最令人惊讶的特征之一是它能够动态地重新配置连接以处理和适当地响应刺激。东北大学(日本仙台)和巴塞罗那大学的研究人员利用神经工程工具创造了体外神经回路，重现了大脑回路的分离和整合能力，使研究人员能够理解动态重构的关键。该研究已发表在Science Advances上。

动态重构被理解为通过增加或减少神经元活动来加强或减弱连接。在大脑中，神经元电路的内聚力的增加被称为整合，并且减少被称为分离。“这项研究显示了模块化组织对于最大限度地提高神经回路灵活性的重要性。它还显示了体外工具和生物物理模型在理解像大脑这样一个迷人而丰富的复杂系统中的集体现象方面的潜力” UBICS复杂系统研究所(UBICS)的研究员Jordi Soriano说，他是该研究的合着者。

集成与不同和远程电路之间的快速信息交换相关联，而隔离与局部电路中的信息处理相关联。根据刺激的性质和强度，大脑从隔离状态变为综合状态。动态重新配置可以避免创建和破坏物理连接，这种策略在能量上非常昂贵。因此，通过视觉，听觉和嗅觉到达的刺激，在大脑皮层中以隔离的方式被处理，以根据需要部分或完全整合。在观看电影的同时，我们整合了图像和声音，忽略了气味和其他刺激。然而，当我们注意到燃烧的东西的气味时，大脑进入警告状态，以便我们整合和分析所有可用的信息以做出快速决定。

尽管整合和隔离的重要性，与动态重建相关的生物物理机制仍然没有得到很好的理解。另外，另一个未知因素是整合分离能力对大脑区域之间现有物理连接数量的敏感性。

研究人员开发的体外脑模型由四个相互连接的模块组成。每个模块代表一个专门的神经回路(例如视觉或听觉)。这四个模块由粘附蛋白和营养物质覆盖，其中神经元发育。这些神经元在模块内部与其他模块中的其他神经元之间连接。精确神经工程允许控制从一个模块到另一个模块的连接，因此，它可以调整模块之间的物理耦合水平。该模型中的刺激对应于神经自发激活。

利用荧光钙成像技术检测神经活动，研究人员根据模块之间的连接水平和其他因素研究了电路自发整合或隔离的能力。“我们看到的是当模块之间的连接数量太大或太小时，电路完全集成或隔离。最佳电路是四个模块具有低于最小集成度的连接，以便神经活动脉冲足以加强连接和完全整合。有效地，这种最佳电路 - 自发激活 - 在集成和隔离共存的情况下工作。当然，观察到的动态仍然远离实际大脑的复杂性，

该研究由日本东北大学的Ayumi Hirano-Iwata和Hideaki Yamamoto以及西班牙巴塞罗那大学的Jordi Soriano领导，与Shigeo Sato和Hisanao Akima(东北大学)，Michio Niwano(Tohoku Fukushi)合作大学)，Takashi Tanii(早稻田大学)，Shigeru Kubota(山形大学)和Sara Teller(巴塞罗那大学)