小脳

小脳は後頭蓋窩に位置します。第4脳室、橋、延髄は小脳の前方にあります。^{[ 10 ]}小脳は、革のような硬膜の層である小脳テントによって上方の大脳から隔てられています。脳の他の部分との接続はすべて橋を通ります。解剖学者は小脳を後脳の一部として分類しており、後脳には橋も含まれます。後脳は菱脳または「後脳」の上部です。大脳皮質と同様に、小脳は2つの小脳半球に分かれており、狭い正中線領域（虫部）も含まれています。慣例として、一連の大きなひだを使用して全体の構造を10個の小さな「小葉」に分割します。小脳には多数の小さな顆粒細胞が存在するため、脳の他の部分の総数よりも多くのニューロンが含まれていますが、脳全体の体積のわずか10%しか占めていません。 ^{[ 11 ]}小脳のニューロン数は、新皮質のニューロン数と関連しています。小脳には新皮質の約3.6倍のニューロンがあり、この比率は多くの異なる哺乳類種で保存されています。^{[ 12 ]}

小脳の特異な表面外観は、その体積の大部分が非常に密に折り畳まれた灰白質の層、すなわち小脳皮質で構成されているという事実を隠している。この層の各隆起または回は葉と呼ばれる。高解像度MRIでは、成人のヒトの小脳皮質の面積は730 平方センチメートル^{[ 13 ]} であり、 6cm×5cm  × 10cmの体積に収まっている^{[ 11 ]} 。皮質の灰白質の下には白質があり、これは主に皮質に出入りする有髄神経線維で構成されている。白質は、断面が枝分かれした樹木のような外観をしていることから、生命の樹（arbor vitae ）と呼ばれることもあるが、その中に灰白質で構成された4つの深部小脳核が埋め込まれている^{[ 14 ] 。}

小脳を神経系のさまざまな部分に接続しているのは、3 対の小脳脚です。これらは、小脳虫部に対する位置によって、上小脳脚、中小脳脚、下小脳脚と呼ばれます。上小脳脚は主に大脳皮質への出力であり、視床核を介して大脳皮質の上位運動ニューロンに遠心性線維を伝達します。これらの線維は、小脳深部核から発生します。中小脳脚は橋に接続されており、橋からの入力はすべて主に橋核から受け取ります。橋への入力は大脳皮質からであり、橋核から橋横断線維を介して小脳に伝達されます。中脚は3つの中で最も大きく、その求心性線維は3つの別々の束にまとめられ、それぞれ小脳の異なる部分に入力を送ります。下小脳脚は、前庭核、脊髄、および被蓋からの求心性線維から入力を受け取ります。下脚からの出力は、前庭核と網様体への遠心性線維を介して行われます。小脳全体は、下小脳脚を介して下オリーブ核から調節入力を受け取ります。^{[ 6 ]}

細分化

表面の外観に基づいて、小脳内には3 つの葉を区別することができます。前葉(一次溝の上)、後葉(一次溝の下)、および小脳片葉(後溝の下) です。これらの葉は、小脳を吻側から尾側 (ヒトでは上から下) に分割します。しかし、機能的には、内側から外側への次元に沿ってより重要な区別があります。明確な接続と機能を持つ小脳片葉を除くと、小脳は、脊髄小脳と呼ばれる内側領域と、大脳小脳と呼ばれるより大きな外側領域に機能的に分割できます。^{[ 14 ]}正中線に沿って突出した組織の狭い帯は、小脳虫部と呼ばれます。 （Vermisはラテン語で「虫」を意味する。）^{[ 14 ]}

最も小さい領域である小脳片葉は、しばしば前庭小脳と呼ばれます。進化的に最も古い部分（原始小脳）であり、主にバランスと空間定位に関与しています。主な接続は前庭神経核ですが、視覚やその他の感覚入力も受け取ります。この領域が損傷すると、バランスと歩行の障害を引き起こします。^{[ 14 ]}

前葉と後葉の内側領域は脊髄小脳（古小脳とも呼ばれる）を構成します。小脳のこの領域は主に体と四肢の動きを微調整する機能を持ちます。脊髄の背側柱（脊髄小脳路を含む）と三叉神経、視覚系と聴覚系から固有受容感覚入力を受け取ります。^{[ 15 ]}深部小脳核に線維を送り、そこから大脳皮質と脳幹の両方に投射され、下行性運動系の調節が行われます。^{[ 14 ]}

外側領域は、ヒトでは圧倒的に大きい部分であり、大脳小脳、別名新小脳を構成します。これは、橋核を介して（皮質橋小脳経路を形成する）大脳皮質（特に頭頂葉）からのみ入力を受け取り、主に腹外側視床（大脳皮質の運動前野と一次運動野の運動領域に接続）と赤核に出力を送ります。^{[ 14 ]}外側小脳の機能を説明する最良の方法については意見が分かれています。それは、これから起こる運動の計画^{[ 16 ]}、行動のための感覚情報の評価^{[ 14 ]}、および特定の名詞に最も適した動詞を決定する（「椅子」に対して「座る」など）といった、純粋に認知的な機能に関与していると考えられています。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

小脳回路では、プルキンエ細胞と顆粒細胞という2種類のニューロンが主要な役割を果たしています。また、苔状線維と登上線維（小脳の外側から入ってくる線維）、平行線維（顆粒細胞の軸索）という3種類の軸索も主要な役割を果たしています。小脳回路には、苔状線維と登上線維から始まる2つの主要な経路があり、どちらも最終的には小脳深部核で終結します。^{[ 11 ]}

苔状線維は深部核に直接投射するが、苔状線維→顆粒細胞→平行線維→プルキンエ細胞→深部核という経路も生じる。登上線維はプルキンエ細胞に投射し、深部核に直接側枝を送る。^{[ 11 ]}苔状線維と登上線維の入力はそれぞれ線維固有の情報を伝達する。小脳は、おそらく全体的な調節を行うドーパミン作動性、セロトニン作動性、ノルアドレナリン作動性、コリン作動性の入力も受ける。^{[ 21 ]}

小脳皮質は3つの層に分かれています。最下層には、顆粒細胞が密集した厚い顆粒層があり、介在ニューロン（主にゴルジ細胞、ルガロ細胞、単極性ブラシ細胞など）も含まれています。中間層にはプルキンエ層があり、プルキンエ細胞とベルクマン神経膠細胞の細胞体を含む狭い領域です。最上層には分子層があり、プルキンエ細胞の扁平な樹状突起と、プルキンエ細胞の樹状突起に直角に貫入する膨大な数の平行線維が含まれています。小脳皮質のこの最外層には、星状細胞とバスケット細胞という2種類の抑制性介在ニューロンも含まれています。星状細胞とバスケット細胞はどちらも、プルキンエ細胞の樹状突起にGABA作動性シナプスを形成します。^{[ 11 ]}

小脳のマイクロ回路

略語と表記法

 • (+): 興奮性結合• (-): 抑制性結合• MF:苔状線維• DCN:小脳深部核• IO:下オリーブ核• CF:登上線維• CFC: 登上線維側枝• GC:顆粒細胞• PF:平行線維• PC:プルキンエ細胞• GgC:ゴルジ細胞• SC:星状細胞• BC:バスケット細胞            

小脳葉の横断面図。主要な細胞の種類と接続部を示している。

プルキンエ層

プルキンエ細胞は脳内で最も特徴的なニューロンの一つであり、最初に認識されたタイプの1つです。1837年にチェコの解剖学者ヤン・エヴァンゲリスタ・プルキンエによって初めて記述されました。プルキンエ細胞は樹状突起の形状によって区別されます。樹状突起は非常に豊富に分岐しますが、小脳のひだに垂直な平面で著しく扁平化しています。そのため、プルキンエ細胞の樹状突起は密な平面状の網を形成し、その中に平行な線維が直角に通っています。^{[ 11 ]}樹状突起は樹状突起棘で覆われており、それぞれの棘は平行な線維からシナプス入力を受け取ります。プルキンエ細胞は脳内の他のどのタイプの細胞よりも多くのシナプス入力を受け取ります。1つのヒトのプルキンエ細胞上の棘の数は最大で20万個にも達すると推定されています。^{[ 11 ]}プルキンエ細胞の大きな球状の細胞体は、小脳皮質の狭い層（細胞1個分の厚さ）であるプルキンエ層に密集している。皮質の近傍部分に影響を与える側枝を放出した後、軸索は小脳深部の核へと伸び、そこで小さな領域内でそれぞれ約1,000個の接触を複数の種類の核細胞と形成する。プルキンエ細胞はGABAを神経伝達物質として使用し、標的に対して抑制効果を発揮する。^{[ 11 ]}

プルキンエ細胞は小脳回路の中核を形成し、その大きなサイズと特徴的な活動パターンにより、細胞外記録技術を用いて行動中の動物におけるその応答パターンを比較的容易に研究することができました。プルキンエ細胞は通常、シナプス入力がない場合でも高い頻度で活動電位 を放出します。覚醒して行動中の動物では、平均レートは約 40 Hz が典型的です。スパイク列は、単純スパイクと複合スパイクと呼ばれるものの混合を示します。単純スパイクは、約 10 ms の不応期 に続く単一の活動電位です。複合スパイクは、非常に短いスパイク間隔と減少する振幅を持つ定型的な活動電位のシーケンスです。^{[ 23 ]}生理学的研究により、複合スパイク (ベースラインレートは約 1  Hz で発生し、10 Hz をはるかに超えるレートでは決して発生しない ) は登上線維の活性化と確実に関連しているのに対し、単純スパイクはベースライン活動と並列線維入力の組み合わせによって生成されることが示されています。複雑なスパイクの後には、単純なスパイク活動が抑制される数百ミリ秒の休止が続くことが多い。^{[ 24 ]}

プルキンエニューロンの特異的で認識可能な特徴は、カルビンジンの発現である。^{[ 25 ]}片側慢性坐骨神経損傷後のラット脳のカルビンジン染色により、プルキンエニューロンが成体脳で新たに生成され、新しい小脳小葉の組織化が開始される可能性が示唆される。^{[ 26 ]}

粒状層

小脳顆粒細胞は、プルキンエ細胞とは対照的に、脳内で最も小さいニューロンの一つです。また、脳内で最も数が多いニューロンでもあります。ヒトでは、その総数は平均約500億個と推定されており、これは脳のニューロンの約4分の3が小脳顆粒細胞であることを意味します。^{[ 11 ]}顆粒細胞の細胞体は、小脳皮質の底部に厚い層状に密集しています。顆粒細胞は4～5本の樹状突起しか出さず、それぞれの先端には樹状突起爪と呼ばれる膨らみがあります。^{[ 11 ]}これらの膨らみは、苔状線維からの興奮性入力とゴルジ細胞からの抑制性入力を受ける部位です。^{[ 11 ]}

顆粒細胞の細い無髄軸索は、皮質の上層（分子層）まで垂直に伸び、そこで2つに分岐し、それぞれの枝が水平方向に伸びて平行線維を形成します。垂直枝が2つの水平枝に分岐することで、特徴的な「T」字型になります。ヒトの平行線維は、分岐点から平均し て各方向に3 mm伸び、全長は約6  mm（皮質層の全幅の約1/10）になります。^{[ 11 ]}平行線維は、プルキンエ細胞の樹状突起を通過しながら、通過する3～5個に1個の割合で接触し、プルキンエ細胞の樹状突起棘と合計80～100個のシナプス結合を形成します。^{[ 11 ]}顆粒細胞は神経伝達物質としてグルタミン酸を使用するため、標的に興奮作用を及ぼします。^{[ 11 ]}

顆粒細胞は、入力のすべてを苔状線維から受け取りますが、その数は苔状線維の200倍です（ヒトの場合）。したがって、顆粒細胞集団の活動状態の情報は、苔状線維の情報と同じですが、はるかに広範囲な方法で再コード化されています。顆粒細胞は非常に小さく、非常に密集しているため、行動中の動物でそのスパイク活動を記録することは難しく、理論化の基礎として使用できるデータはほとんどありません。顆粒細胞の機能に関する最も一般的な概念は、1969年にDavid Marrによって提唱されたもので、顆粒細胞は苔状線維入力の組み合わせを符号化できると示唆しました。この考えでは、各顆粒細胞は4～5本の苔状線維からのみ入力を受け取るため、入力のうち1本だけが活動している場合は顆粒細胞は反応せず、複数の入力が活動している場合は反応します。この組み合わせ符号化スキームにより、小脳は苔状線維だけでは不可能なほど細かい入力パターンの区別を行うことができる可能性があります。^{[ 27 ]}

深部核

小脳深部核は、小脳の中心部にある白質内に存在する灰白質の集まりです。これらは、近くにある前庭核というわずかな例外を除いて、小脳からの唯一の出力源です。これらの核は、苔状線維と登上線維からの側枝投射と、小脳皮質のプルキンエ細胞からの抑制性入力を受け取ります。4つの核（歯状核、球状核、栓状核、室頂核）はそれぞれ、脳と小脳皮質の異なる部分と連絡しています。（球状核と栓状核は、介在核に統合されているとも呼ばれます。）室頂核と介在核は脊髄小脳に属します。哺乳類では他の核よりもはるかに大きい歯状核は、薄く複雑な灰白質の層として形成され、小脳皮質の外側部分とのみ連絡している。小脳片葉の小葉は、深部核に投射しない小脳皮質の唯一の部分であり、その出力は代わりに前庭核に送られる。^{[ 11 ]}

深部核のニューロンの大部分は、大きな細胞体と半径約400μmの球状の樹状突起を持ち 、神経伝達物質としてグルタミン酸を使用する。これらの細胞は、小脳外のさまざまな標的に投射する。それらに混じって、GABAを神経伝達物質として使用し、登上線維の供給源である下オリーブ核にのみ投射する小型細胞が少数存在する。したがって、核-オリーブ核投射は、登上線維の核への興奮性投射に一致する抑制性フィードバックを提供する。核細胞の各小さなクラスターは、登上線維を送るオリーブ核細胞の同じクラスターに投射するという証拠があり、両方向に強く一致する地形が存在する。^{[ 11 ]}

プルキンエ細胞の軸索が深部核のいずれかに入ると、大小両方の核細胞と接触するように分岐しますが、接触する細胞の総数は約35個（ネコの場合）にすぎません。逆に、1つの深部核細胞は約860個のプルキンエ細胞から入力を受けます（これもネコの場合）。^{[ 11 ]}

コンパートメント

肉眼解剖学の観点から見ると、小脳皮質は均質な組織のシートのように見え、微細解剖学の観点から見ると、このシートのすべての部分は同じ内部構造を持っているように見える。しかし、小脳の構造はいくつかの点で区画化されている。一般にゾーンとして知られる大きな区画があり、これらはマイクロゾーンとして知られるより小さな区画に分割することができる。^{[ 28 ]}

区画構造の最初の兆候は、小脳皮質のさまざまな部分の細胞の受容野の研究から得られました。^{[ 28 ]}体のさまざまな部分は小脳の特定の点にマッピングされますが、基本マップの繰り返しが多数あり、「断片的体性局在」と呼ばれる配置を形成しています。^{[ 29 ]}区画化のより明確な兆候は、特定の種類のタンパク質で小脳を免疫染色することによって得られます。これらのマーカーの中で最もよく知られているのは「ゼブリン」と呼ばれ、ゼブリンを染色すると、シマウマの縞模様を思わせる複雑なパターンが生じます。ゼブリンや他の区画化マーカーによって生成される縞は、小脳のひだに垂直に配向しています。つまり、内側外側方向には狭く、縦方向にははるかに広がっています。異なるマーカーは異なる縞のセットを生成し、幅と長さは位置に応じて変化しますが、すべて同じ一般的な形状をしています。^{[ 28 ]}

1970年代後半、オスカーソンは、これらの皮質領域をマイクロゾーンと呼ばれるより小さな単位に分割できると提唱した。^{[ 30 ]}マイクロゾーンは、すべて同じ体性感覚受容野を持つプルキンエ細胞のグループとして定義される。マイクロゾーンにはそれぞれ約1000個のプルキンエ細胞が含まれており、皮質褶に垂直な方向に細長い帯状に配置されていることがわかった。^{[ 28 ]}したがって、隣接する図に示すように、プルキンエ細胞の樹状突起はマイクロゾーンの伸びる方向と同じ方向に扁平化しており、平行線維はマイクロゾーンを直角に横切っている。^{[ 11 ]}

微小領域の構造を規定するのは受容野だけではありません。下オリーブ核からの登上線維入力も同様に重要です。登上線維の枝（通常約10本）は、通常、同じ微小領域に属するプルキンエ細胞を活性化します。さらに、同じ微小領域に登上線維を送るオリーブ核ニューロンはギャップ結合によって結合される傾向があり、これにより活動が同期し、微小領域内のプルキンエ細胞はミリ秒単位の時間スケールで相関した複合スパイク活動を示します。^{[ 28 ]}また、微小領域に属するプルキンエ細胞はすべて、深部小脳核内の同じ小さな出力細胞群に軸索を送ります。^{[ 28 ]}最後に、バスケット細胞の軸索は、内外側方向よりも縦方向にはるかに長いため、ほぼ単一の微小領域に限定されます。^{[ 28 ]}この構造の結果として、微小領域内の細胞間相互作用は、異なる微小領域間の相互作用よりもはるかに強くなる。^{[ 28 ]}

2005年、リチャード・アップスとマーティン・ガルウィッツは、微小領域自体が、彼らが多領域微小複合体と呼ぶより大きな実体の一部を形成しているという証拠をまとめた。このような微小複合体には、空間的に分離された複数の皮質微小領域が含まれており、それらはすべて同じ深部小脳ニューロン群に投射している。さらに、結合したオリーブ核ニューロン群は、含まれるすべての微小領域と深部核領域に投射している。^{[ 28 ]}

小脳には、上小脳動脈（SCA）、前下小脳動脈（AICA）、後下小脳動脈（PICA）という3対の主要動脈から血液が供給されます。SCAは小脳の上部を栄養します。上面で分岐し、軟膜に枝分かれして前下小脳動脈と後下小脳動脈の枝と吻合します。AICAは小脳下面の前部を栄養します。PICAは下面に到達し、内側枝と外側枝に分岐します。内側枝は小脳の2つの半球間の小脳切痕まで後方に伸び、外側枝は小脳の下面を栄養し、外側縁でAICAとSCAと吻合します。

小脳の解剖学的構造の比較的単純さと規則性から、小脳の電気生理学に関する最初の書籍の1つである、ジョン・C・エクルズ、伊藤正夫、ヤーノシュ・センタゴタイによる『ニューロンマシンとしての小脳』^{[ 43 ]}に表現されているように、計算機能も同様に単純である可能性があるという初期の希望が生まれた。小脳機能の完全な理解は依然として困難であるが、少なくとも4つの原理が重要であると特定されている。(1)フィードフォワード処理、(2)発散と収束、(3)モジュール性、(4)可塑性。

1. フィードフォワード処理：小脳は、信号処理がほぼ完全にフィードフォワードであるという点で、脳の他のほとんどの部分（特に大脳皮質）とは異なります。つまり、信号は入力から出力へとシステム内を一方向に流れ、内部での再帰的な伝達はほとんどありません。存在するわずかな再帰は相互抑制によるものであり、相互に興奮する回路はありません。このフィードフォワード動作モードは、小脳が大脳皮質とは対照的に、自己持続的な神経活動パターンを生成できないことを意味します。信号は回路に入り、各段階で順番に処理され、その後出力されます。エクルズ、イトー、センタゴタイが書いたように、「神経興奮の反響連鎖の可能性を設計から完全に排除することは、コンピュータとしての小脳の性能において間違いなく大きな利点である。なぜなら、神経系の残りの部分が小脳に求めるのは、小脳内の複雑な反響回路の動作を表す出力ではなく、特定の情報セットの入力に対する迅速かつ明確な応答だからである。」^{[ 44 ]}
2. 発散と収束：ヒトの小脳では、2億本の苔状線維入力からの情報が400億個の顆粒細胞に拡張され、その平行線維出力が1500万個のプルキンエ細胞に収束します。^{[ 11 ]}縦方向に並んでいるため、微小領域に属する約1000個のプルキンエ細胞は、最大1億本の平行線維から入力を受け取り、さらに少ない深部核細胞のグループに自身の出力を集中させます。^{[ 28 ]}このように、小脳ネットワークは、控えめな数の入力を受け取り、厳密に構造化された内部ネットワークを通じてそれらを非常に広範囲に処理し、非常に限られた数の出力細胞を介して結果を送り出します。
3. モジュール性：小脳系は、機能的に多かれ少なかれ独立したモジュールに分かれており、その数は数百から数千に及ぶと考えられます。すべてのモジュールは類似した内部構造を持ちますが、入力と出力が異なります。モジュール（AppsとGarwiczの用語では多ゾーン微小区画）は、下オリーブ核のニューロンの小さなクラスター、小脳皮質のプルキンエ細胞の細長い帯（微小ゾーン）、および小脳深部核の1つにあるニューロンの小さなクラスターから構成されます。異なるモジュールは苔状線維と平行線維からの入力を共有しますが、その他の点では独立して機能しているように見えます。つまり、あるモジュールの出力は他のモジュールの活動に大きな影響を与えないようです。^{[ 28 ]}
4. 可塑性：平行線維とプルキンエ細胞間のシナプス、および苔状線維と深部核細胞間のシナプスは、いずれも強度の変化を受けやすい。単一の小脳モジュールでは、最大10億本の平行線維からの入力が50個未満の深部核細胞のグループに収束し、各平行線維がこれらの核細胞に及ぼす影響は調整可能である。この配置により、小脳の入力と出力の関係を微調整するための非常に大きな柔軟性が得られる。^{[ 45 ]}

小脳が一部の運動学習において重要な役割を果たしているという証拠は数多く存在する。小脳が最も明確に関与する課題は、動作の実行方法に微調整を加える必要がある課題である。しかし、学習が小脳自体で行われるのか、それとも単に他の脳構造での学習を促進する信号を提供するだけなのかについては、多くの議論がなされてきた。^{[ 45 ]}学習を小脳の回路に帰属させる理論のほとんどは、登上線維が平行線維-プルキンエ細胞シナプスのシナプス修飾を誘発する教育信号を提供すると仮定したデイビッド・マー^{[ 27 ]}とジェームズ・アルバス[ ^{7 ]の}考えに由来する。^{[ 46 ]}マーは、登上線維入力が同期的に活性化された平行線維入力を強化すると仮定した。しかし、その後の小脳学習モデルのほとんどは、アルバスの理論に倣い、登上線維の活動はエラー信号であり、同期的に活性化された並列線維入力を弱める原因となると仮定している。藤田の適応フィルタモデル^{[ 47 ]}など、これらの後期のモデルの中には、最適制御理論の観点から小脳機能を理解しようと試みたものもある。

登上線維の活動がエラー信号として機能するという考えは、多くの実験研究で検討されており、それを支持する研究もあれば、疑問を呈する研究もある。^{[ 24 ]} 1977年のギルバートとサッチによる先駆的な研究では、到達課題を学習中のサルのプルキンエ細胞は、パフォーマンスが低い期間に複合スパイク活動の増加を示した。これは、細胞の登上線維入力の活動を確実に示すことが知られている。^{[ 48 ]}ネコの運動学習に関するいくつかの研究では、意図した動きと実際に実行された動きが一致しない場合に複合スパイク活動が観察された。前庭眼反射（頭が回転したときに網膜上の視覚像を安定させる）の研究では、登上線維の活動が「網膜滑り」を示していることがわかったが、それは非常に単純な方法ではなかった。^{[ 24 ]}

小脳の学習課題の中で最も広く研究されているものの1つに、瞬目条件付けパラダイムがあります。これは、音や光などの中性条件刺激（CS）を、瞬目反応を引き起こす無条件刺激（US）（例えば、空気の噴射）と繰り返し対提示するものです。CSとUSを繰り返し提示すると、最終的にはCSがUSよりも先に瞬目を引き起こすようになり、条件反応（CR）となります。実験では、介在核（深部小脳核の1つ）の特定の部分、または小脳皮質のいくつかの特定のポイントに病変があると、条件付けされた瞬目反応の学習が消失することが示されました。小脳の出力が薬理学的に不活性化され、入力と細胞内回路がそのまま残されている場合、動物が何の反応も示さなくても学習は起こるが、小脳内回路が破壊されると学習は起こらない。これらの事実を総合すると、学習は実際に小脳内で起こるという強力な根拠となる。^{[ 49 ]}

小脳の解剖学的構造と行動機能に関する膨大な知識基盤は、理論構築の肥沃な土壌となっており、おそらく脳の他のどの部分よりも小脳の機能に関する理論が多い。それらの最も基本的な区別は、「学習理論」と「パフォーマンス理論」である。つまり、学習における小脳の役割を説明するために小脳内のシナプス可塑性を利用する理論と、小脳の信号処理に基づいて進行中の行動の側面を説明する理論である。両方のタイプのいくつかの理論は、数学モデルとして定式化され、コンピュータを使用してシミュレーションされている。^{[ 46 ]}予測とシーケンスに関与する小脳という2つの主要な要件に適合するカルマンフィルタモデルが提案されている。^{[ 50 ]}

おそらく最も初期の「パフォーマンス」理論は、ヴァレンティーノ・ブライテンベルクの「遅延線」仮説でしょう。1958年にブライテンベルクとロジャー・アトウッドによって提唱された元の理論では、平行線維に沿った信号の遅い伝播が予測可能な遅延をもたらし、小脳が一定の時間枠内で時間関係を検出できるとされていました。^{[ 51 ]}実験データは元の理論を支持しませんでしたが、ブライテンベルクは修正版を主張し続けました。^{[ 52 ]}小脳が本質的にタイミングシステムとして機能するという仮説は、リチャード・アイヴリーによっても提唱されています。^{[ 53 ]}もう一つの影響力のある「パフォーマンス」理論は、ペリオニスとリナスのテンソルネットワーク理論で、小脳が行う基本的な計算は感覚座標を運動座標に変換することであるという考えを高度な数学的定式化で示したものです。^{[ 54 ]}

「学習」カテゴリーの理論は、ほぼすべてマールとアルバスの論文に由来する。マールの1969年の論文では、小脳は登上線維によって符号化された基本的な動きと感覚コンテキストを符号化する苔状線維入力を関連付けることを学習するための装置であると提唱した。^{[ 27 ]}アルバスは1971年に、小脳のプルキンエ細胞が神経に着想を得た抽象的な学習装置であるパー​​セプトロンとして機能すると提唱した。 ^{[ 7 ]}マールとアルバスの理論の最も基本的な違いは、マールは登上線維の活動によって平行線維シナプスが強化されると仮定したのに対し、アルバスは弱化すると提唱した点である。アルバスはまた、自身のバージョンをCMAC（小脳モデル関節制御器）と呼ばれるソフトウェアアルゴリズムとして定式化し、多くのアプリケーションでテストした。^{[ 55 ]}

ヒトの小脳は加齢とともに変化します。これらの変化は、脳の他の部分の変化とは異なる可能性があります。エピジェネティック時計として知られる組織年齢のエピジェネティックバイオマーカーによると、小脳は最も若い脳領域（および身体部位）です。100歳以上の人では、予想されるよりも約15歳若いのです。^{[ 63 ]}さらに、ヒトの小脳の遺伝子発現パターンは、大脳皮質の遺伝子発現パターンよりも加齢に伴う変化が少ないことを示しています。^{[ 64 ]} いくつかの研究では、細胞数または組織体積の減少が報告されていますが、この問題に関するデータ量はあまり多くありません。^{[ 65 ] [ 66 ]}

先天性奇形、遺伝性疾患、後天性疾患は小脳の構造、ひいては小脳の機能に影響を与える可能性があります。原因となる状態が可逆的でない限り、唯一可能な治療法は、人々が問題を抱えながら生活できるよう支援することです。^{[ 67 ]}妊娠18～20週の超音波検査による胎児小脳の可視化は、感度99%で胎児神経管欠損症のスクリーニングに使用できます。 ^{[ 68 ]}

正常な発達では、内因性のソニックヘッジホッグシグナル伝達が、外顆粒層（EGL）における小脳顆粒ニューロン前駆細胞（CGNP）の急速な増殖を刺激します。小脳の発達は胚発生後期と出生後早期に起こり、EGLにおけるCGNPの増殖は発達初期（マウスでは生後7日目）にピークを迎えます。^{[ 69 ]} CGNPは最終的に小脳顆粒細胞（小脳顆粒ニューロン、CGNとも呼ばれる）に分化し、内顆粒層（IGL）に移動して成熟した小脳を形成します（マウスでは生後20日目まで）。^{[ 69 ]}異常にソニックヘッジホッグシグナル伝達を活性化する変異は、ゴルリン症候群のヒトおよび遺伝子操作マウスモデルにおいて、小脳癌（髄芽腫）の発症リスクを高めます。^{[ 70 ] [ 71 ]}

小脳虫部の先天性奇形または発育不全（低形成）は、ダンディ・ウォーカー症候群とジュベール症候群の両方の特徴である。^{[ 72 ] [ 73 ]}ごくまれに、小脳全体が欠損している場合もある。^{[ 74 ]}遺伝性神経疾患であるマチャド・ジョセフ病、毛細血管拡張性運動失調症、フリードライヒ運動失調症は、小脳の喪失に関連した進行性の神経変性を引き起こす。^{[ 59 ] [ 67 ]}小脳以外の先天性脳奇形は、アーノルド・キアリ奇形のいくつかの形態に見られるように、小脳組織のヘルニアを引き起こす可能性がある。^{[ 75 ]}

小脳変性と密接に関連する他の疾患には、特発性進行性神経疾患である^多系統萎縮症およびラムゼイ・ハント症候群I型[ ^{76 ] [ 77 ]}、および傍腫瘍性小脳変性症（体内の他の部位の腫瘍が自己免疫反応を引き起こし、小脳の神経細胞喪失を引き起こす自己免疫疾患）[78]がある。小脳萎縮^は、乾性 脚気やウェルニッケ・コルサコフ症候群に見られる慢性チアミン（ビタミンB1）欠乏症^{[ 79 ]}、またはビタミンE欠乏症^{[ 67 ]}によって生じる可能性がある。

小脳萎縮は、ハンチントン病、多発性硬化症^{[ 62 ]} 、本態性振戦、進行性ミオクローヌスてんかん、ニーマン・ピック病など、他の多くの神経疾患でも観察されています。小脳萎縮は、重金属や医薬品、娯楽用薬物などの毒素への曝露の結果として発生することもあります^{[ 67 ]}。

小脳が痛みの処理に関与しているという一般的な見解がある。^{[ 80 ] [ 81 ]}小脳は、橋核と下オリーブ核を介して、下行性皮質小脳経路と上行性脊髄小脳経路の両方から痛みの入力を受け取る。この情報の一部は運動系に伝達され、痛みの強度に応じて段階的に、痛みの意識的な運動回避を引き起こす。

これらの直接的な痛み入力と間接的な入力は、慢性的な姿勢の変化、ひいては前庭核と固有受容核の機能的および解剖学的再構築につながる長期的な痛み回避行動を誘発すると考えられています。その結果、慢性神経因性疼痛は、小脳を含む後脳の巨視的な解剖学的再構築を誘発する可能性があります。^{[ 26 ]}この再構築の規模と神経前駆細胞マーカーの誘導は、これらの変化に対する成体神経新生の寄与を示唆しています。

ほとんどの脊椎動物種は小脳と、細胞構築と神経化学の観点から小脳に似た脳領域である1つ以上の小脳様構造を持っています。^{[ 82 ]}哺乳類に見られる唯一の小脳様構造は、聴神経から直接入力を受ける2つの主要な感覚核の1つである背側蝸牛核（DCN）です。DCNは層状構造で、最下層には小脳の顆粒細胞に似た顆粒細胞があり、平行線維が表層まで上昇し、水平方向に横切ります。表層には、解剖学的にも化学的にもプルキンエ細胞に似たカートホイール細胞と呼ばれるGABA作動性ニューロンのセットがあり、平行線維からの入力を受けますが、登上線維に似た入力はありません。DCNの出力ニューロンは錐体細胞です。これらはグルタミン酸作動性ですが、いくつかの点でプルキンエ細胞にも似ています。平行線維からの入力を受ける棘状で扁平な表層樹状突起を持ち、平行線維に対して直角の方向にDCNを横切る聴神経線維からの入力を受ける基底樹状突起も持っています。DCNはげっ歯類やその他の小型動物で最も発達しており、霊長類ではかなり縮小しています。その機能はよく理解されていませんが、最も有力な推測では、何らかの形で空間聴覚に関係していると考えられています。^{[ 89 ]}

魚類や両生類のほとんどの種は、水中の圧力波を感知する側線系を持っています。側線器官からの主要な入力を受ける脳領域の1つである内側視蓋側核は、顆粒細胞と平行線維を持つ小脳のような構造をしています。電気感受性の魚類では、電気感覚系からの入力は背側視蓋側核に送られ、これも小脳のような構造をしています。条鰭類（圧倒的に最大のグループ）では、視蓋に小脳のような層（辺縁層）があります。^{[ 82 ]}

これらの小脳様の構造はすべて、運動関連というよりは感覚関連であるように思われる。それらはすべて顆粒細胞を持ち、平行線維を生じ、修飾可能なシナプスを持つプルキンエ様ニューロンに接続するが、小脳のそれに匹敵する登上線維は持たず、代わりに末梢感覚器官から直接入力を受ける。いずれの機能も実証されていないが、最も影響力のある推測は、おそらく体の姿勢の変化を補償するために、感覚入力を何らかの洗練された方法で変換する役割を果たすというものである。^{[ 82 ]}実際、ジェームズ・M・バウアーらは、これらの構造と小脳の研究に基づいて、小脳自体が根本的に感覚構造であり、結果として生じる感覚信号を制御する方法で体を動かすことによって運動制御に貢献していると主張している。^{[ 90 ]}バウアーの見解とは裏腹に、小脳が哺乳類の運動出力に直接影響を与えるという強力な証拠もある。^{[ 91 ] [ 92 ]}

初期の解剖学者でさえ、小脳をその特徴的な外観から認識することができた。アリストテレスとヘロフィロス（ガレノスに引用されている）は、小脳を ἐγκέφαλος ( enkephalos ) または脳本体と対比してπαρεγκεφαλίς ( parenkephalis ) と呼んだ。ガレノスの詳細な記述は、現存する最古のものである。彼は小脳が運動神経の源であると推測した。^{[ 93 ]}

ルネサンス期まで、さらなる重要な進展は見られなかった。ヴェサリウスは小脳について簡単に論じ、 1664年にトーマス・ウィリスによって解剖学的構造がより詳細に記述された。18世紀にはさらに多くの解剖学的研究が行われたが、小脳の機能に関する最初の知見が得られたのは19世紀初頭になってからであった。 1809年、ルイージ・ロランドは、小脳の損傷が運動障害を引き起こすという重要な発見を確立した。19世紀前半、ジャン・ピエール・フルーレンスは詳細な実験を行い、小脳に損傷を受けた動物は、協調運動の喪失（奇妙な動き、ぎこちない歩行、筋力低下）を伴うものの、まだ動くことができ、損傷が非常に広範囲に及ばない限り、損傷後の回復はほぼ完全であることが明らかになった。^{[ 94 ]} 20世紀初頭までに、小脳の主な機能は運動制御に関係していることが広く受け入れられるようになり、20世紀前半には、ヒトの小脳疾患に関連する臨床症状の詳細な記述がいくつか発表された。^{[ 5 ]}

小脳という名称は大脳（脳）の縮小形であり、 ^{[ 95 ]}文字通り「小さな脳」と訳すことができます。ラテン語名は、この構造を最初に記述したことが知られているアリストテレスの著作で使用された古代ギリシャ語のπαρεγκεφαλίς（ parenkephalis ）の直訳です。 ^{[ 96 ]}英語の文献では他の名称は使用されていませんが、歴史的には、 cerebrum parvum、^{[ 97 ]} encephalion、^{[ 98 ]} encranion、^{[ 97 ]} cerebrum posterius、^{[ 99 ]}およびparencephalis ^{[ 97 ]}など、さまざまなギリシャ語またはラテン語由来の名称が使用されてきました。