Kleinhirn, Abschnitt des Gehirns, der sensorische Eingaben mit Muskelreaktionen koordiniert und sich direkt unterhalb und hinter den Großhirnhemisphären und oberhalb der Medulla oblongata befindet.
Das Kleinhirn integriert Nervenimpulse aus den Labyrinthen des Ohrs und von Positionssensoren in den Muskeln; Kleinhirnsignale bestimmen dann das Ausmaß und den Zeitpunkt der Kontraktion einzelner Muskelfasern, um Feineinstellungen bei der Aufrechterhaltung von Gleichgewicht und Haltung vorzunehmen und glatte, koordinierte Bewegungen großer Muskelmassen in willkürlichen Bewegungen zu erzeugen.
Wie das Großhirn ist das Kleinhirn in zwei laterale Hemisphären unterteilt, die durch einen medialen Teil, den Vermis, verbunden sind. Jede der Hemisphären besteht aus einem zentralen Kern der weißen Substanz und einer Oberflächenrinde der grauen Substanz und ist in drei Lappen unterteilt. Der Flocculonodularlappen, der erste Abschnitt des Kleinhirns, der sich entwickelt, erhält sensorische Eingaben von den Vestibuli des Ohrs; der Vorderlappen erhält sensorische Eingaben vom Rückenmark; und der Hinterlappen, der sich zuletzt entwickelt, erhält Nervenimpulse vom Großhirn. Alle diese Nervenimpulse sind in die Kleinhirnrinde integriert. Drei gepaarte Bündel von Nervenfasern leiten Informationen zum und vom Kleinhirn weiter – den oberen, mittleren und unteren Stielen —, die das Kleinhirn mit dem Mittelhirn, den Pons bzw. der Medulla verbinden.Funktionell ist die Kleinhirnrinde in drei Schichten unterteilt: eine äußere synaptische Schicht (auch molekulare Schicht genannt), eine Zwischenentladungsschicht (Purkinje-Schicht) und eine innere rezeptive Schicht (körnige Schicht). Sensorischer Input von verschiedenen Arten von Rezeptoren wird an bestimmte Regionen der rezeptiven Schicht weitergeleitet, die aus zahlreichen kleinen Nervenzellen besteht, die Axone in die synaptische Schicht projizieren. Dort erregen die Axone die Dendriten der Purkinje-Zellen, die wiederum Axone auf Teile der vier intrinsischen Kerne (bekannt als dentate, globose, emboliforme und fastigiale Kerne) und auf dorsale Teile des lateralen vestibulären Kerns projizieren. Die meisten Purkinje-Zellen verwenden den Neurotransmitter GABA und üben daher starke hemmende Einflüsse auf die Zellen aus, die ihre Rezeptoren erhalten. Infolgedessen führt jeder sensorische Eingang in das Kleinhirn dazu, dass hemmende Impulse auf die tiefen Kleinhirnkerne und Teile des vestibulären Kerns ausgeübt werden. Zellen aller tiefen Kleinhirnkerne hingegen sind exzitatorisch (sezernieren den Neurotransmitter Glutamat) und projizieren auf Teile des Thalamus, des roten Kerns, der vestibulären Kerne und der Formatio reticularis.