Bajo el contexto de las ciencias neuropsicológicas, el concepto de "integración sensorial" se refiere a la tendencia innata que tiene el sistema nervioso central para recibir y organizar información sensorial y motora a través de la interacción con y en el ambiente (Hebb 1949).

En el contexto de la terapia ocupacional, integración sensorial se refiere, en primer lugar, a teorías neuro-conductuales de las funciones de organización del SNC (sistema nervioso central) basadas en como información sensorio-motora es integrada y organizada. También, dentro de este mismo contexto de terapia ocupacional, IS (integración sensorial) significa una aproximación terapéutica de pediatría que trata alteraciones en el procesamiento de información sensorio-motora a nivel del SNC (Jean Ayres 1972-1979).

Hebb comenzó describiendo la IS desde un punto de vista neurobiológico evolutivo, y teorizó que el cerebro es crucialmente organizado por interacciones de los sistemas sensoriales y motores, bajo el contexto de comportamientos funcionales y con propósito.

En otras palabras, las interacciones entre la información sensorial y motora, al ocurrir mediante actividades funcionales y significativas para el individuo, estructuran y organizan las conexiones sinápticas del SNC. Esta organización sináptica determinará procesamientos de información para el desenvolvimiento en acciones futuras.

De esta manera, se van formando cada vez mas "programas" sensorio-motores a nivel neuronal, aumentando el potencial en el número y variedad de respuestas interactivas del individuo. Esta integración sensorio-motora interactiva consecuentemente comienza a dar pie para el surgimiento de procesos cognitivos de mayor complejidad (percepción, generación de ideas, atención, memoria, etc.)

Desde una perspectiva de la neurociencia, la IS es la agrupación y conexión de pequeños fragmentos de información sensorial y motora, fundamental para poder formular nuestras representaciones internas del mundo exterior.

Investigaciones posteriores han logrado demostrar que la interacción e integración de información visual, auditiva, somatosensorial y somatomotora, en los lóbulos parietales del cerebro, originan funciones de "orientación espacial" (capacidad de localizar y localizarse en relación a los demás objetos en el espacio). Asimismo, la interacción e integración sensorial en los lóbulos temporales del cerebro, originan la capacidad de identificar y reconocer objetos.
Interacciones más complejas aún surgen de estas dos funciones anteriores, de orientación especial e identificación de objetos, y se desarrollan en el cerebro "estrategias" motrices para actuar eficazmente en el espacio, mediante movimientos y conexiones acertadas y apropiadas con los objetos previamente localizados e identificados.

La IS es el proceso primario a través del cual se organizan representaciones mentales internas del espacio exterior, y se transforman en la base para futuras estrategias de acción para interactuar y responder a las demandas ambientales.

Se demostró en 1981, con el premio Nóbel de Medicina, Hubel & Wiesel, que procesos de integración y organización sensorial en el SNC, son la clave para el desarrollo normal de las personas.

La IS es un principio primario y poderoso mediante el cual el SNC se ordena y construye durante el desarrollo del individuo. Ayres postuló que disfunciones en procesos de IS llevaran a alteraciones permanentes en el comportamiento.

"Cómo percibimos el mundo a nuestro al rededor va a depender de las experiencias sensoriales (y respuestas motoras a éstas) que tengamos durante nuestras primeras etapas en la vida… si estas experiencias están ausentes o distorsionadas, podrán llevar hacia permanente discapacidad del SNC en su habilidad de percibir el mundo."