Das Kleinhirn, auch „kleines Gehirn“ genannt, liegt unter den Hinterhauptlappen am Hinterkopf. Trotz seiner geringen Größe enthält es mehr Neuronen als der Rest des Gehirns zusammen, die in einem hochgradig regelmäßigen Schaltkreis angeordnet sind.

Seine klassische Funktion besteht in der Koordination willkürlicher Bewegungen, der Aufrechterhaltung von Haltung und Gleichgewicht sowie der Glättung motorischer Aktionen. Schädigungen führen zu Ataxie – unsicherem Gang, Intentionstremor und Schwierigkeiten bei schnellen, alternierenden Bewegungen – ohne Lähmung. Das Kleinhirn ist auch am motorischen Lernen beteiligt; es hilft dem Nervensystem, Bewegungen anhand von Fehlerrückmeldungen anzupassen. Neuere Erkenntnisse deuten zudem auf eine Beteiligung an bestimmten kognitiven und emotionalen Funktionen hin, wobei die motorische Funktion weiterhin im Vordergrund steht.

Sensorische Informationen über die Körperposition und den Verlauf laufender Bewegungen fließen in das Kleinhirn, das die beabsichtigte Handlung mit dem tatsächlichen Ergebnis vergleicht und Korrektursignale ausgibt. Dieser Prozess läuft weitgehend unbewusst ab. Wenn die Finger eines Pianisten präzise die Tasten berühren oder ein Fußgänger sich von einem Stolpern wieder fängt, hat das Kleinhirn seine kontinuierliche Kalibrierung durchgeführt.

Anmutige, gut getimte Bewegungen sind der charakteristische Beitrag des Kleinhirns.