Inuti den högra och vänstra lillhjärnshemisfären grupperar sig räknat från medellinjen och utåt de fyra lillhjärnskärnorna. tak-, klot-, plugg- och tandkärnorna (nucleus fastigii, globosus, emboliformis och dentatus). Globosus och emboliformis kärnorna sammanfattas ofta under namnet nucleus interpositus.
Det är lillhjärnskärnorna som förmedlar lillhjärnans utgående signaltrafik, lillhjärnsefferensen, vilken huvudsakligen tar sig ut via den övre lillhjärnsarmen.
Inflödet av signaler till lillhjärnan är ordnat så att de inåtledande nervtrådarna (mosstrådar och klättertrådar) sänder grenar både till lillhjärnskärnorna och till lillhjärnsbarken. Lillhjärnsbarken skickar sedan med sina Purkinjeneuroner signaler tillbaka till lillhjärnskärnorna som i sin tur levererar lillhjärnans beräkningsresultat till olika delar av CNS.
Inflödet av balansinformation till barken i vestibulocerebellum förmedlas av mosstrådar i vestibularisnerven. Dom här nervtrådarna ger även grenar till vestibulariskärnorna som tar emot signaler från Purkinjeneuron i vestibulocerebellum och förmedlar beräkningsresultaten till olika delar av CNS.
Lägg märke till den principiella likheten i signaleringen över lillhjärnskärnorna och den över vestibulariskärnorna. På grund av denna likhet betraktas ofta vestibulariskärnorna som ett slags lillhjärns-kärnor som "inte kommit sig för med att flytta in i själva lilla hjärnan".