Τα βασικά χαρακτηριστικά του νευρωνικού κυκλώματος της παρεγκεφαλίδας είναι γνωστά από τα τέλη του 19ου αιώνα. Ο κεντρικός νευρώνας είναι το κύτταρο Πέρκιντζ, που πήρε το όνομα του Τσέχου φυσιολόγου Γιοχάνες Πέρκιντζ, που το ανακάλυψε το 1837. Είναι το μόνο που δίνει δεδομένα εξόδου από την παρεγκεφαλίδα και είναι ένας από τους μεγαλύτερους νευρώνες του νευρικού μας συστήματος. Διαθέτει 150-200 χιλιάδες συνάψεις (διασυνδέσεις με άλλους νευρώνες από τους οποίους δέχεται ερεθίσματα), δηλαδή μια τάξη μεγέθους περισσότερους απ' ό,τι οι νευρώνες στον εγκεφαλικό φλοιό. Αυτά τα δεδομένα προέρχονται κυρίως από έναν από τους μικρότερους νευρώνες των σπονδυλωτών, το κοκκώδες κύτταρο της παρεγκεφαλίδας. Τα κοκκώδη κύτταρα είναι συνωστισμένα με πυκνότητα 6.000.000 ανά τετραγωνικό χιλιοστό, με αποτέλεσμα να είναι ο πιο πολυάριθμος τύπος νευρωνικού κυττάρου στον εγκέφαλο. Ο άξονας, δηλαδή η κύρια γραμμή που μεταφέρει το σήμα εξόδου κάθε κοκκώδους κυττάρου, ανέρχεται κάθετα έξω από το στρώμα των κοκκωδών κυττάρων, κάνοντας πολλαπλές συνδέσεις με το υπερκείμενο κύτταρο Πέρκιντζ. Μετά, διχάζεται σε δύο τμήματα που διακλαδίζονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτά τα τμήματα στοιχίζονται σε παράλληλες ίνες που διατρέχουν τους βραχίονες (δενδρίτες) των κυττάρων Πέρκιντζ σαν καλώδια πάνω σε κολόνες διανομής ηλεκτρικού ρεύματος, προσφέροντας έτσι το ίδιο σήμα εισόδου σε εκατοντάδες κύτταρα Πέρκιντζ. Τα κοκκώδη κύτταρα επικοινωνούν επίσης με τρεις άλλους τύπους νευρώνων: τα αστεροειδή, τα καλαθοκύτταρα και τα κύτταρα Γκόλτζι, που βοηθούν να ρυθμιστούν τα σήματα που εκπέμπονται τόσο από τα κοκκώδη κύτταρα, όσο και από τα κύτταρα Πέρκιντζ. Αυτός ο τύπος συνδεσμολογίας παρουσιάζεται στις παρεγκεφαλίδες όλων των ειδών, υποδείχνοντας ότι πρέπει να είναι καθοριστικός για τη λειτουργία τους.

«Στο πίσω μέρος του κρανίου μας, πάνω στο στέλεχος του εγκεφάλου,... βρίσκεται μια μάζα λευκής και φαιάς εγκεφαλικής ουσίας... Πρόκειται για την παρεγκεφαλίδα, τον "ελάσσονα εγκέφαλο"». Ετσι περιέγραφε την παρεγκεφαλίδα το 1958 ο Αμερικανός ερευνητής Ρέι Σνάιντερ. «Σε αντίθεση με τον εγκέφαλο», συνέχιζε, «όπου ο άνθρωπος έψαξε και βρήκε τα κέντρα τόσο πολλών ζωτικών πνευματικών δραστηριοτήτων, η παρεγκεφαλίδα παραμένει μια περιοχή σκανδαλιστικού μυστηρίου». Δεκαεφτά χρόνια αργότερα ο συνάδελφός του Ροντόλφο Λινάς, έγραφε αντανακλώντας την πρόοδο στην επιστημονική γνώση: «Δεν υπάρχει πια καμιά αμφιβολία, ότι η παρεγκεφαλίδα είναι ένα κεντρικό σημείο για την οργάνωση των κινητικών λειτουργιών».

Πρόσφατα, η λειτουργία της παρεγκεφαλίδας έγινε πάλι θέμα συζήτησης. Οι ερευνητές, χρησιμοποιώντας νέα πιο ισχυρά εργαλεία καταγραφής της εγκεφαλικής δραστηριότητας, διαπίστωσαν ότι η παρεγκεφαλίδα είναι ενεργός σε ένα ευρύ φάσμα δραστηριοτήτων που δε σχετίζονται άμεσα με την κίνηση του σώματος. Μελέτες έδειξαν ότι η βλάβη σε συγκεκριμένες περιοχές της παρεγκεφαλίδας μπορεί να προκαλέσει μη αναμενόμενες βλάβες σε μη κινητικές λειτουργίες, ιδιαίτερα στην ταχύτητα και την ακρίβεια αντίληψης των πληροφοριών που προέρχονται από τα αισθητήρια όργανα. Αλλα ευρήματα δείχνουν ότι η παρεγκεφαλίδα ίσως παίζει σημαντικό ρόλο στη μνήμη βραχείας διάρκειας, στην ικανότητα συγκέντρωσης, στον έλεγχο των παρορμήσεων, στο συναίσθημα, στις ανώτερες λειτουργίες της αντίληψης, στην ικανότητα σχεδιασμού, ίσως ακόμα και στη σχιζοφρένεια και τον αυτισμό. Νευροβιολογικά πειράματα, γύρω από το μοτίβο των αισθητηριακών δεδομένων που φτάνουν στην παρεγκεφαλίδα και τους τρόπους που η παρεγκεφαλίδα επεξεργάζεται αυτές τις πληροφορίες, επίσης υποδηλώνουν την ανάγκη να αναθεωρήσουμε ριζικά τις καθιερωμένες απόψεις γι' αυτήν. Η παρεγκεφαλίδα έγινε και πάλι μια περιοχή «σκανδαλιστικού μυστηρίου».

Κρίνοντας εκ των υστέρων, δεν προξενεί έκπληξη που η παρεγκεφαλίδα λειτουργεί σαν κάτι περισσότερο από ένας απλός ελεγκτής των σωματικών κινήσεων. Ο μεγάλος της όγκος και η πολύπλοκη δομή της υποδηλώνουν ότι παίζει ευρύτερο και πιο σύνθετο ρόλο. Η ανθρώπινη παρεγκεφαλίδα έχει επίπεδο ανάπτυγμα 1.128 τετραγωνικών εκατοστών (κατά μέσο όρο), δηλαδή περισσότερο από το μισό του αναπτύγματος της επιφάνειας των ημισφαιρίων του εγκεφάλου, που είναι 1.900 cm². Μέσα σε μικρό όγκο περιέχει τεράστια ποσότητα νευρωνικών κυκλωμάτων, χάρη στη ρυτίδωση της επιφάνειάς της που είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από εκείνη του εγκεφαλικού φλοιού, ενώ σε πολλά θηλαστικά η παρεγκεφαλίδα είναι η μόνη ρυτιδωμένη εγκεφαλική δομή.

Η παρεγκεφαλίδα πρέπει να παίζει σημαντικό ρόλο και για έναν άλλο λόγο: Εχει διατηρηθεί και μάλιστα έχει μεγαλώσει σε όγκο στη διάρκεια της εξέλιξης των ειδών. Αν και οι βιολόγοι θεωρούν τη μεγέθυνση του εγκεφαλικού φλοιού σαν το καθοριστικό στοιχείο της εξέλιξης του ανθρώπινου εγκεφάλου, η παρεγκεφαλίδα έγινε τρεις φορές μεγαλύτερη στο τελευταίο εκατομμύριο έτη, όπως δείχνουν τα απολιθωμένα κρανία που βρέθηκαν. Το πιο εκπληκτικό είναι ότι περιέχει περισσότερα νευρικά κύτταρα, απ' ό,τι όλες οι άλλες εγκεφαλικές δομές μαζί! Παραπέρα, ο τρόπος που συνδέονται μεταξύ τους αυτοί οι νευρώνες έχει παραμείνει ουσιαστικά σταθερός τουλάχιστον στα τελευταία 400 εκατομμύρια χρόνια της εξέλιξης των σπονδυλωτών. Ετσι, η παρεγκεφαλίδα του καρχαρία έχει νευρώνες που είναι οργανωμένοι σε κυκλώματα σχεδόν πανομοιότυπα με των νευρώνων της παρεγκεφαλίδας του ανθρώπου.

Εκείνο που μπερδεύει τα πράγματα είναι ότι οι άνθρωποι μπορούν να ανανήψουν μετά από βλάβες στην περιοχή της παρεγκεφαλίδας. Αν και η ολική αφαίρεσή της αρχικά διακόπτει το συντονισμό των κινήσεων, με το πέρασμα του χρόνου, ιδιαίτερα οι νέοι άνθρωποι, μπορούν να ανακτήσουν τις κανονικές λειτουργίες τους σε σημαντικό βαθμό. Αυτή η πλαστικότητα είναι γενικό χαρακτηριστικό του εγκεφάλου, αλλά ανάλογες βλάβες στον εγκεφαλικό φλοιό συνήθως αφήνουν βαριές και μόνιμες βλάβες σε συγκεκριμένες λειτουργίες.

Αρκετές θεωρίες για την παρεγκεφαλίδα προτείνουν μια ερμηνεία για την ικανότητα του εγκεφάλου να τα βγάζει πέρα και χωρίς αυτήν. Ειδικότερα, σύμφωνα με τη θεωρία του συντονισμού των αισθητηριακών δεδομένων από την παρεγκεφαλίδα, η ικανότητα αυτή υποδηλώνει ότι η παρεγκεφαλίδα πραγματοποιεί μια γενική και λεπτή υποστηρικτική λειτουργία. Δεν είναι υπεύθυνη για καμιά συγκεκριμένη συμπεριφορά ή ψυχολογική διαδικασία. Μάλλον λειτουργεί σαν υποστηρικτική δομή για τον υπόλοιπο εγκέφαλο. Αυτή η υποστήριξη σχετίζεται με τον έλεγχο των εισερχόμενων αισθητηριακών δεδομένων και τη συνεχή, λεπτή ρύθμιση του τρόπου που αποκτώνται, ώστε να εξασφαλίζεται η υψηλότερη δυνατή ποιότητά τους.

Οι ρυθμίσεις παίρνουν τη μορφή εξαιρετικά ανεπαίσθητων αλλαγών στη θέση των ανθρώπινων δακτύλων που ψηλαφούν, ή των μουστακιών των αρουραίων που ανιχνεύουν, ή του αμφιβληστροειδούς, ή του εσωτερικού αυτιού. Σαν υποστηρικτική δομή, είναι αναμενόμενο να εμφανίζει κάποιο επίπεδο δραστηριότητας σε μεγάλο αριθμό συνθηκών, ειδικότερα σε εκείνες που απαιτούν προσεκτικό έλεγχο των εισερχόμενων και ενδεχομένως και των απομνημονευμένων δεδομένων. Αλλα συστήματα του εγκεφάλου μπορούν συνήθως να αναπληρώσουν ως ένα βαθμό την έλλειψη ακριβούς αισθητηριακού συντονισμού με αξιοποίηση εναλλακτικών στρατηγικών επεξεργασίας των δεδομένων, στην περίπτωση που η παρεγκεφαλίδα πάθει βλάβη ή αφαιρεθεί.

Επιστημονικές υποθέσεις, όπως αυτή, αποτελούν και μια υπενθύμιση για τη μελλοντική έρευνα: η εμφάνιση δραστηριότητας σε μια περιοχή του εγκεφάλου δε σημαίνει κατ' ανάγκη ότι αυτή σχετίζεται άμεσα με μια συγκεκριμένη δραστηριότητα ή λειτουργία.