位於大腦半球後方，覆蓋在腦橋及延髓之上，橫跨在中腦和延髓之間。它由胚胎早期的菱腦分化而來，是腦六個組成部分中僅次於大腦的第2大結構。原始的小腦出現在圓口類的七鰓鰻。在大多數魚類，小腦還不發達，體積小，表面光滑，它隻是橫跨在第四腦室上方的一小塊凸起的頂壁。軟骨魚綱中的鯊魚小腦較大，表面甚至出現溝裂，這是比較特殊的例外。兩棲類和爬行類的小腦不發達，表面也缺乏溝回。少數在海中洄遊的龜類小腦的體積在整個腦中佔有較大的比重。爬行類的小腦內部開始出現神經核團，這標誌小小腦接受傳入信息和發出傳出聯系增多。鳥類的小腦非常發達，在種系發生上顯得突出。它的小腦體積大，表面溝回緊湊，位於內側的新小腦部分特別發達，接受來自脊髓的傳入纖維和來自上位腦結構的投射纖維數量增多，與之相應的傳出聯系也更為廣泛，因而腦橋及橄欖核亦隨之發達。到瞭哺乳類，小腦進一步發展，新小腦、舊小腦及古小腦分部清楚，表面的溝回變得更為復雜，神經核團更加分化、發達，其生理功能也更為完善和重要。
解剖 從外觀上看，小腦中間有一條縱貫上下的狹窄部分，卷曲如蟲，稱為蚓部。蚓部兩側有兩個膨隆團塊稱為小腦半球。在小腦蚓部和半球表面有一些橫行的溝和裂，將小腦分成許多回、葉和小葉。在這些橫貫小腦表面的溝和裂中，後外側裂和原裂是小腦分葉的依據。後外側裂將小腦分成絨球小結葉和小腦體兩大部分；而原裂又將小腦體分成前葉和後葉。這樣，前葉、後葉和絨球小結葉便構成瞭小腦3個橫向組成的分部（圖1）。在小腦的分葉中，為瞭簡化命名，拉塞爾提出羅馬字的命名系統，他將小腦蚓部從前到後按I～X次序分成10個小葉；對小葉的半球部分，則在代表各小葉的羅馬字前冠以H，例如HⅥ即表示小腦第Ⅵ小葉的半球部分。
從發生學的觀點來看，絨球小結葉出現最早，是小腦最古老的部分，被稱為古小腦，它主要接受來自前庭核和前庭神經的傳入纖維，調節軀幹肌肉的活動，在維持肌緊張、身體平衡和姿勢等方面起重要作用；前、後葉的蚓部及後葉蚓部的後外側部出現得稍晚，稱為舊小腦，其主要功能與頭部和身體的本體感受和外感受的傳入信息有關，有調節肌緊張的作用；小腦半球的大部分和部分蚓部發展得最晚，稱為新小腦，它在人類最為發達，主要接受經腦橋接轉的來自大腦皮質的纖維，參與由大腦皮層發起的隨意運動的調節。在位相性的活動和肌肉的協調運動過程中起重要作用。
小腦的表面被覆著一層灰質，叫做小腦皮層；皮層的下方是小腦髓質，由出入小腦的神經纖維和4對小腦深部核團組成。小腦皮層分為3層，從表及裡分別為分子層、浦肯野氏細胞層和顆粒細胞層，皮層裡含有星狀細胞、籃狀細胞、浦肯野氏細胞、高爾基氏細胞和顆粒細胞等5 種神經元。在這些細胞中隻有浦肯野氏細胞發出軸突離開小腦皮層，成為小腦皮層中唯一的傳出神經元；其他4種均為中間神經元，它們的神經末梢都分佈在小腦皮層之內。所有小腦葉片都有同樣的神經組織結構（圖2）。在分子層內，星狀細胞和籃狀細胞（亦稱內星狀細胞）的軸突走向均與小腦葉片的長軸相垂直。每個星狀細胞都有抑制性的軸樹突觸與數個浦肯野氏細胞的樹突相接觸，每個籃狀細胞都有抑制性的軸體突觸通過它的筐籃狀神經末梢與數個浦肯野氏細胞的胞體相接觸；在顆粒層內，每個顆粒細胞有一個胞體和4～6支短的樹突。顆粒細胞的軸突向上伸至分子層，在那裡呈T字形分成兩支，以相反的方向沿著葉片的長軸走行，被稱為平行纖維，其長度可達5～7毫米。平行纖維與浦肯野氏細胞、星狀細胞、籃狀細胞和高爾基氏細胞的樹突形成興奮性的軸樹突觸。高爾基氏細胞位於顆粒層的上部，它的樹突分支伸向分子層，軸突卻終止於顆粒層，與顆粒細胞的樹突和苔狀纖維的末梢共同組成小腦小球，成為一種突觸復合體，即苔狀纖維的末梢與顆粒細胞的樹突之間為興奮性突觸，高爾基氏細胞的軸突與顆粒細胞的樹突之間為抑制性突觸；在浦肯野氏細胞層內，浦肯野氏細胞的胞體排列整齊有序，其樹突分支伸向分子層，沿與葉片相垂直的平面分佈，而它的軸突則向下穿出小腦皮層，與小腦深部核團的神經元接觸而形成抑制性突觸。每個浦肯野氏細胞的軸突都有返行的側支與其他的浦肯野氏細胞、高爾基氏細胞及籃狀細胞構成抑制性突觸。在小腦左、右半球深部的髓質中，每側各埋藏著4個由神經細胞群構成的神經核團，由內側向外側分別為頂核、栓狀核、球狀核和齒狀核，其中栓狀核和球狀核常合稱為間位核。
小腦與外部的聯系通過3對由小腦傳入和傳出纖維組成的巨大神經纖維束進行，分別稱為上、中、下小腦腳或小腦臂。小腦借這3對腳與腦幹相連，而且通過它們與其他的神經結構相聯系，是小腦與外部聯系的必經之路。在小腦腳中，傳出纖維占四分之一，而傳入纖維約占四分之三。
由小腦皮層的傳出神經元浦肯野氏細胞軸突構成的傳出纖維，首先到達小腦的深部核團，在這些核團轉換神經元後，再離開小腦。從小腦皮層浦肯野氏細胞到小腦深部核團的纖維聯系，稱為皮層－核團投射。這種投射具有一定的方位特征，蚓部皮層的浦肯野氏細胞主要投射到頂核，部分投射到前庭外側核；半球部皮層的浦肯野氏細胞投射到齒狀核；介於蚓部和半球之間的旁蚓皮層的浦肯野氏細胞則投射到頂核和齒狀核之間的間位核。根據皮層一核團投射的這種解剖學特征，可將小腦分成3個縱向區(圖3)：①內側區，由蚓部皮層和它所投射到的頂核共同組成，該縱區管理整個軀體的姿式、肌緊張和平衡；②外側區，由半球皮層和齒狀核組成，管理同側肢體的靈巧運動；③間位區，由旁蚓皮層和間位核組成，管理同側肢體的姿式和靈巧運動。近年的研究，又進一步將上述3個縱區劃分為7個縱區。
在小腦的傳入方面，一般可分為苔狀纖維和攀緣纖維兩個傳入系統。苔狀纖維傳入系統包括：來自身體的本體感受器和外感受器的沖動，通過脊髓小腦束、楔小腦束傳至小腦前葉；來自腦幹及小腦深部核團的沖動，通過網狀核群經網狀小腦束投射到小腦前葉和蚓部，這些纖維大部分為不交叉的投射；來自頭部本體感受器和外感受器的沖動，經三叉神經核和三叉小腦束投射到小腦的第Ⅴ和第Ⅵ小葉；來自前庭神經的第1級纖維和前庭神經核的第2級纖維，組成前庭小腦束投射到絨球小結葉皮層和鄰近小腦皮層，以及終止於頂核；來自大腦皮層的沖動，經皮層腦橋束下行到達腦橋核，再經腦橋小腦束投射到新、舊小腦的皮層。這些傳入小腦的纖維共同組成瞭苔狀纖維傳入系統。攀緣纖維傳入系統包括來自大腦皮層、腦幹網狀核群、紅核以及小腦深部核團的沖動，投射到延髓的下橄欖核，然後投射到對側的全部小腦皮層。從下橄欖核到小腦皮層的投射有著相當精細的對應關系。下橄欖核為一板層結構，由背側副橄欖核、主橄欖核和內側副橄欖核等3 個部分組成。副橄欖核的不同部分投射到小腦蚓部皮層的不同縱區，主橄欖核的背板和腹板投射到一側小腦半球，而主橄核的外側枝和背帽則投射到絨球小結葉。此外，由於研究的不斷深入，還提出瞭小腦第3傳入系統，即單胺能神經元傳入投射。它與苔狀纖維和攀緣纖維有著不同的形態學和生理學特征。這種單胺能神經纖維的數量較苔狀纖維和攀緣纖維要少得多。根據單胺能神經元傳入末梢產生和釋放的遞質不同，又可將它進一步分為去甲腎上腺素能投射和5-羥色胺能投射。前者起源於延髓的藍斑，投射到整個小腦皮層，以蚓部、絨球和腹側旁絨球最為密集；後者起源於中縫核群，投射到除小腦皮層第Ⅵ小葉以外的幾乎所有區域，其中第ⅦAⅩ小葉的蚓部和HⅦA部位的皮層投射密度最大。第3傳入系統在小腦可能起一種調節作用，而不是像苔狀纖維或攀緣纖維傳入系統那樣起著特異信息的傳遞作用。
形態學和電生理學研究證明在小腦有一種皮層核團的微復合體的結構與機能單位。這一單位是由小腦皮層核團投射的微縱區，以及與它相對應的下橄欖核－小腦皮層區投射共同組成。有人測算人類小腦的結構與機能單位多達5000個。由於皮層核團微復合體的活動，使小腦在調控運動中對於信號的處理更為精確。
功能 小腦通過它與大腦、腦幹和脊髓之間豐富的傳入和傳出聯系，參與軀體平衡和肌肉張力（肌緊張）的調節，以及隨意運動的協調。小腦就像一個大的調節器。
調節軀體平衡 小腦對於軀體平衡的調節，是由絨球小結葉，即古小腦進行的。軀體的平衡調節是一個反射性過程，絨球小結葉是這一反射活動的中樞裝置。軀體平衡變化的信息由前庭器官所感知，經前庭神經和前庭核傳入小腦的絨球小結葉，小腦據此發出對軀體平衡的調節沖動，經前庭脊髓束到達脊髓前角運動神經元，再經脊神經到達肌肉，協調瞭有關頡頏肌群的運動和張力，從而使軀體保持平衡。例如，當人站立而頭向後部仰時，膝和踝關節將自動地作屈曲運動，以對抗由於頭後仰所造成的身體重心的轉移，使身體保持平衡而不跌倒。在這一過程中，膝與踝關節為配合頭向後仰而作的輔助性屈曲運動，就是由於小腦發出的調節性沖動，協調瞭有關肌肉的運動和張力的結果。如果絨球小結葉受到損傷，將破壞軀體的平衡機能。切除瞭絨球小結葉的猴不能站立，總是坐在籠子的角落裡，以籠子的兩邊支撐身體來保持平衡。在人類，絨球小結葉如受損傷或壓迫，患者的身體平衡將嚴重失調，身體傾斜，走路時步態蹣跚。研究還表明，蚓部皮層也接受與軀體平衡有關的本體感覺和視覺沖動的傳入，頂核與前庭核之間有許多纖維來往。因此，由蚓部皮層和頂核組成的縱向內側區也參與瞭軀體平衡，主要是站立的調節。內側區的損傷也將造成平衡和站立的困難。
調節肌緊張 肌緊張是肌肉中不同肌纖維群輪換地收縮，使整個肌肉處於經常的輕度收縮狀態，從而維持瞭軀體站立姿式的一種基本的反射活動。小腦可以調節肌緊張活動，其調節作用表現為抑制肌緊張和易化肌緊張兩個方面。小腦抑制肌緊張的作用主要是前葉（舊小腦）蚓部的機能，這一抑制作用在去大腦動物上表現得最為明顯。刺激去大腦貓小腦前葉的蚓部，可以減弱動物因去大腦而造成的伸肌過度緊張現象；反之，切除該部位則使去大腦僵直加強，這些現象都說明小腦有抑制肌緊張的作用。小腦對肌緊張的易化作用是由前葉的兩側部位來實現的。刺激猴的小腦前葉兩側部位，可加強伸肌的緊張狀態，並減弱層肌的緊張；在人類，這個部位的損傷則引起肌無力或低緊張現象。小腦前葉對於肌緊張的抑制或易化作用是通過腦幹網狀結構中的肌緊張抑制區和易化區實現的。這兩個區是控制骨骼肌緊張的中樞部位，它們通過下行的網狀脊髓束控制脊髓前角的γ運動神經元的活動。易化區的下行沖動可以加強γ運動神經元的活動，使肌緊張加強；抑制區則可減弱γ運動神經元的活動，使肌緊張減弱。在正常情況下，腦幹網狀結構的肌緊張抑制區和易化區的活動，在高級中樞大腦、紋狀體和小腦等的影響下保持著動態的平衡，從而使肌緊張維持在正常的狀態；如果由於某種原因加強或減弱瞭小腦（前葉的蚓部或外側部）對腦幹網狀結構肌緊張抑制區或易化區的影響，將會破壞這兩個低級中樞之間原有的平衡，使肌緊張活動加強或減弱。此外，小腦還可以通過前庭外側核調節肌緊張活動。從前庭外側核有前庭脊髓束到達脊髓，緊張性沖動通過這條下行的傳導束，提高脊髓前角 α運動神經元的活動，使肌緊張加強。從小腦的蚓部皮質到前庭外側核有直接的和經頂核接轉的間接纖維投射，其中的直接纖維投射對於前庭外側核來說是一條抑制性的通路，它減弱前庭外側核的緊張性活動，進而使脊髓前角 α運動神經元的活動水平下降，導致肌緊張的減弱；從蚓部皮層經頂核到前庭外側核的間接投射則是一條興奮性的通路，頂核可以通過這條通路加強前庭外側核的活動，其最終結果是使肌緊張活動加強。所以，局限於蚓部皮層的損傷，使去大腦動物的僵直現象加強；頂核的損傷則使去大腦動物的肌張力減弱。
協調隨意運動 隨意運動是大腦皮層發動的意向性運動，而對隨意運動的協調則是由小腦的半球部分，即新小腦完成的。新小腦的損傷，將使受害者的肌緊張減退和隨意運動的協調性紊亂，稱為小腦性共濟失調。主要的表現有：①運動的準確性發生障礙。產生意向性震顫現象，當病人留意做某動作，如用手指鼻時，手指發生顫抖，愈接近目標，手指顫抖得愈厲害，因而不能把握運動的準確方向。②動作的協調性發生障礙。患者喪失使一個動作停止而立即轉換為相反方向的動作的能力，運動時動作分解不連續。例如，病人不能完成快速翻轉手掌這類簡單、快速的輪替運動，稱為輪替運動失常；當完成一個方向的運動並需要轉換運動的方向時，患者必須先停下來思考下一步的動作，才能再重新開始新的運動。所有這些列舉的癥狀隻在運動中表現出來，說明新小腦對隨意運動起著重要的協調作用，這種協調作用，是小腦對大腦皮層和脊髓活動進行調節的結果。在大腦皮層與小腦之間存在著雙向的神經連接，大腦皮層發出傳導運動信息的錐體束在下行過程中，有側枝在橋腦的腦橋核換神經元，再由腦橋核發出纖維進入小腦，形成皮層-腦橋小腦束；而小腦向大腦皮層的投射，由新小腦皮層的浦肯野氏細胞的軸突投射到深部的齒狀核，再由齒狀核發出纖維出小腦，經丘腦腹外側核到達大腦皮層的運動區，這就是齒狀核-丘腦皮層束，這兩條傳導束構成瞭小腦調節大腦皮層運動區活動的基本環路。當大腦皮層運動區將引起肌肉收縮的運動沖動經錐體束傳向脊髓的時候，也同時有側枝沖動經皮層-腦橋小腦束到達小腦。有關的肌肉在接受到這些運動沖動而發生收縮時，肌肉中的肌梭等本體感受器又將它們所感受的有關肌肉運動的本體沖動，經脊髓小腦束傳入小腦。這樣，在隨意運動進行的每一瞬間，小腦即接受到大腦皮層給出的引起運動的指令，又獲取瞭肌肉執行運動指令的信息。在對兩者進行比較之後，小腦皮層的浦肯野氏細胞發出的沖動對小腦深部核團，主要是齒狀核的活動進行調整，再由齒狀核發出沖動經齒狀核-丘腦皮層束反饋到大腦皮層運動區，通過易化或抑制作用相應地調整瞭大腦皮層運動區的活動。在另一方面，小腦在接受脊髓小腦束傳來的肌肉運動的本體信息後，還經紅核和紅核脊髓束將調節性沖動傳向脊髓，調整運動神經元的活動。小腦就是這樣在隨意運動進行的過程中，即時、不斷地調整著大腦皮層運動區、紅核和脊髓的活動，使運動能夠準確、平穩和順利地進行。
新小腦皮層的外側部（外側區）和內側部(間位區)及其相應的投射核團齒狀核和間位核，在隨意運動的起始和完成中起著不同的作用。小腦皮層的外側區和齒狀核，通過其與大腦皮層之間的交互聯系，在隨意運動發生的早期與大腦皮層聯絡區、基底神經節、丘腦腹外側核等神經結構一起，參加瞭隨意運動的設計和運動程序的編制；而小腦皮層的間位區和間位核則參加瞭隨意運動的執行。例如，在猴開始做腕關節的屈或伸運動之前，小腦深部的齒狀核和間位核就有細胞放電的變化，但是，齒狀核細胞的放電變化卻發生在間位核細胞之前，而且放電的型式也較間位核細胞復雜，這種反應時間的先後及反應型式的差別，表明小腦半球的這兩個縱區及其相應的投射核團，在隨意運動中起著不同的作用。
此外小腦與運動性的學習記憶和心血管活動也有一定的關系。在傢兔瞬膜條件反射的形成和保持中，海馬CA1、CA3區、小腦皮層第 Ⅵ小葉的半球部分（HⅥ）以及間位核的有關神經元均能產生學習關聯性發放。損毀小腦皮層HⅥ和間位核，可使上述條件反射以及海馬CA1、CA3區的學習關聯性發放消失。電刺激小腦頂核的嘴側部能引起明顯的心血管反應，包括動脈血壓明顯升高；心率加快、心律異常；壓力感受性和化學感受性調制作用的改變等，這種心血管反應稱為頂核升壓反應。
參考書目
J.R.Bloedel，J.Courville，A Review of Cerebellar Affereent Systems，in：V.B.Brooks，Handbook of Physiology，Williams &Wilkins，Baltimore，1981.
C.Chez，S.Fahn，The Cerebellum，in：E.R.Kandel and J.H.Schwartz（eds），principlesof Neural Science，Ed-ward Arnold Ltd.，New York，1983.