Otak kecil memiliki penampilan struktur terpisah yang melekat pada bagian bawah otak, terselip di bawah belahan otak.

1. Pengolahan umpan balik: Cerebellum berbeda dengan kebanyakan bagian lain dari otak (terutama korteks serebral) dalam pemrosesan sinyal hampir seluruhnya umpan balik – yaitu, sinyal bergerak unidirectionally melalui sistem dari input ke output dengan sedikit transmisi internal yang berulang. Jumlah kecil kekambuhan yang tidak ada, terdiri dari saling membatasi. Tidak ada sirkuit saling rangsang. Modus umpan balik operasi ini berarti bahwa otak kecil, berbeda dengan korteks serebral, tidak dapat menghasilkan pola mandiri aktivitas saraf. Sinyal masuk sirkuit, diproses oleh setiap tahap berurutan, dan kemudian pergi. Ini menyediakan cepat, respon ringkas untuk setiap kombinasi input.

2. Perbedaan dan konvergensi: Dalam otak manusia, informasi dari 200 juta input serat berlumut diperluas untuk 40 miliar sel granul. Perbedaan saraf ini diikuti oleh output serat paralel yang menyatu ke 15 juta sel purkinje. Karena keselarasan longitudinal, sekitar 1000 sel Purkinje yang milik microzone mungkin menerima masukan melalui konvergensi saraf dari sebanyak 100 juta serat paralel. Sel-sel kemudian fokus output mereka sendiri ke kelompok kurang dari 50 sel inti mendalam sehingga jaringan cerebellar hanya menerima sejumlah kecil masukan untuk memproses dan mengirim hasil melalui sejumlah sel output.

3. Modularitas: Sistem cerebellar secara fungsional dibagi menjadi modul independen, yang jumlahnya mungkin ratusan hingga ribuan. Semua modul memiliki struktur internal yang sama, tapi input dan output yang berbeda. Sebuah modul terdiri dari sekelompok kecil neuron dalam nukleus olivary rendah, satu set strip panjang dari sel Purkinje di korteks serebelar (microzones), dan sekelompok kecil neuron di salah satu inti cerebellar dalam. Modul yang berbeda berbagi masukan, tetapi juga berfungsi secara independen. Output dari satu modul tampaknya tidak berpengaruh signifikan terhadap aktivitas modul lain.

4. Plastisitas: Sinapsis antara kedua serat paralel dan sel Purkinje, dan serat berlumut dan sel inti dalam keduanya rentan terhadap modifikasi kekuatan mereka. Dalam modul cerebellar tunggal, masukan dari sebanyak satu miliar serat paralel berkumpul ke kelompok kurang dari 50 dalam sel inti, dan pengaruh masing-masing serat paralel pada sel-sel inti disesuaikan. Susunan ini memberikan fleksibilitas yang luar biasa untuk fine-tuning hubungan antara input dan output cerebellar.

Ada bukti bahwa otak kecil memainkan peran penting dalam beberapa jenis motorik. Cerebellum yang paling jelas datang ke dalam bermain dalam tugas-tugas di mana perlu untuk membuat pengaturan yang bagus dalam kinerja tindakan itu. Ada, bagaimanapun, telah banyak perselisihan tentang apakah pembelajaran terjadi di dalam otak itu sendiri, atau apakah itu hanya berfungsi untuk memberikan sinyal yang mempromosikan pembelajaran dalam struktur otak lainnya. Salah satu tugas belajar cerebellar yang paling ekstensif dipelajari adalah paradigma pengkondisian eyeblink, di mana respon berkedip yang ditimbulkan ketika stimulus terkondisi netral, seperti nada atau ringan, berulang kali dipasangkan dengan stimulus berkondisi, seperti embusan udara. Percobaan menunjukkan bahwa lesi lokal baik untuk bagian tertentu dari inti interpositus (salah satu inti serebelum dalam), atau ke titik-titik tertentu beberapa di korteks serebelar, menghapuskan belajar dari respon berkedip benar waktunya. Jika output serebelum secara farmakologi tidak aktif sementara meninggalkan input dan sirkuit intraseluler utuh, pembelajaran terjadi bahkan ketika hewan gagal menunjukkan respon apapun, sedangkan, jika sirkuit intracerebellar terganggu, tidak ada pembelajaran terjadi – fakta-fakta ini secara bersama-sama membuat kasus yang kuat yang belajar terjadi di dalam otak kecil, dan bahwa sel-sel ini menunjukkan neuroplastisitas