เส้นประสาทของระบบ (ดูส่วนหนึ่งในรูป) ซึ่งเป็นสาขาของเส้นประสาท vestibulocochlear หรือเส้นประสาทสมองเส้นที่ 8 มีปลายรับสัญญาณจากฐานเซลล์ขนในหลอดกึ่งวงกลมและใน olithic organs มีตัวเซลล์ประสาทสองขั้ว ที่ vestibular ganglia หรือ Scarpa's ganglia ในช่องหู และส่งแอกซอนไปเชื่อมกับไซแนปส์ที่คอมเพล็กซ์นิวเคลียสประสาท vestibular nuclei 4 อันในซีกร่างกายเดียวกัน (คือ medial, lateral, superior, และ descending) ซึ่งอยู่ที่ด้านหลัง (dorsal) ของพอนส์และเมดัลลาในก้านสมอง[21][22]โดยนิวเคลียสประสาทแต่ละข้างของก้านสมองยังได้รับข้อมูลจากนิวเคลียสของซีกตรงข้าม จากสมองน้อย จากระบบการเห็น และจากระบบรับความรู้สึกทางกาย และส่งสัญญาณเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวและตำแหน่งของร่างกายไปยังส่วนต่าง ๆ ดังต่อไปนี้[23]

• ไปยังซีรีเบลลัม ซึ่งนำข้อมูลไปใช้ในการควบคุมการเคลื่อนไหวศีรษะและตา ความเกร็งของกล้ามเนื้อ และอิริยาบถ[23]
• ไปยังนิวเคลียสของเส้นประสาทสมองเส้นที่ 3 (oculomotor), 4 (trochlear), และ 6 (abducens) ซึ่งมีผลเป็น vestibulo-ocular reflex ที่ทำให้สามารถตรึงตาที่วัตถุเมื่อมีการเคลื่อนไหว[23]
• ไปยัง reticular formation ซึ่งช่วยปรับการไหลเวียนของเลือดและการหายใจเนื่องจากท่าทางใหม่[23]
• ไปยังไขสันหลังผ่าน vestibulospinal tracts ซึ่งทำให้สามารถเกิดรีเฟล็กซ์อย่างรวดเร็วทั้งในแขนขาและในลำตัวเพื่อให้ทรงตัวอยู่ได้[23]
• ไปยังทาลามัส ผ่านไปยัง central sulcus และรอยนูนหลังร่องกลาง ซึ่งทำให้สามารถควบคุมการสั่งการ (motor control) ของศีรษะพร้อมร่างกาย และสามารถรับรู้ตำแหน่งบวกการเคลื่อนไหวของร่างกาย[23]
• ผ่านวิถีประสาท ventral pathway ของเปลือกสมองส่วนการเห็น ซึ่งช่วยให้รู้ทิศทางร่างกายในแนวตั้งและทิศทางของแรงโน้มถ่วง[24]

วิถีประสาทส่วนกลางของระบบมีบทบาทในรีเฟล็กซ์ต่าง ๆ ที่มีเหตุจากการเคลื่อนไหวรวมทั้ง[25]

1. รักษาเสถียรภาพของภาพบนจอตา รวมทั้งการเคลื่อนไหวศีรษะและตาเพื่อตรึงตาที่วัตถุ เช่น vestibulo-ocular reflex (VOR)
2. รักษาท่าทางของศีรษะและร่างกาย เช่น vestibulo-cervical reflex (VCR หรือ vestibulocollic reflex[26]) ที่ขยับคอเนื่องจากแรงเร่งแบบหมุน เช่นเมื่อสะดุดตก และ vestibulo-spinal reflex (VSR) ที่ปรับกล้ามเนื้อที่แขนขาและลำตัวเพื่อให้ทรงตัวอยู่ได้
3. รักษาการหดเกร็งของกล้ามเนื้อ ดังที่แสดงในอาการเกร็งแขนและขา (decerebrate rigidity) เมื่อก้านสมองเสียหาย โดยในสัตว์ทดลอง อาการจะหายไปเมื่อทำลาย vestibular nucleus สภาพตึงตัวของกล้ามเนื้อเหยียดแสดงนัยว่า วิถีประสาท vestibulospinal tract ปกติจะได้รับการระงับจากสมองในเขตที่สูงกว่า เช่น เปลือกสมอง

การรักษาดุลของร่างกายปกติจะอาศัยข้อมูลจากระบบการทรงตัว ระบบการเห็น และระบบการรับรู้อากัปกิริยา ดังนั้น ผู้ที่มีระบบการทรงตัวเสียหาย ก็จะมี VCR และ VSR ที่ทำงานไม่สมบูรณ์ คนไข้เช่นนี้ไม่มีเสถียรภาพในการทรงศีรษะหรือร่างกาย มีท่าทางการเดินที่ผิดปกติ มีปัญหารักษาดุลของร่างกาย มีปัญหาในการเดิน โดยปัญหาเหล่านี้จะปรากฏชัดขึ้นเมื่อคนไข้มองเห็นได้น้อยลง เช่น ในที่มืด หรือเมื่อเดินบนพื้นที่ไม่เรียบ[25]

Vestibular nuclei

เส้นประสาท vestibular ส่งสัญญาณจาก vestibular gangion ไปยัง vestibular nuclei ข้างเดียวกัน 4 อัน ซึ่งอยู่ที่ด้านหลัง (dorsal) ของพอนส์และเมดัลลาในก้านสมอง[22]

vestibular nuclei ยังได้สัญญาณจากโครงสร้างอื่น ๆ รวมทั้ง

vestibular nuclei แบ่งเป็น 4 นิวเคลียสดั้งเดิมโดยอาศัยสถาปัตยกรรมทางเซลล์ ซึ่งต่อมาพบว่าก็มีหน้าที่ต่าง ๆ กันด้วย คือ[22]

• ส่วนใน (medial) และส่วนบน (superior) ได้รับสัญญาณโดยหลักจากหลอดกึ่งวงกลม แต่ก็ได้จาก otolithic organs ด้วย ทั้งสองส่งสัญญาณไปยังศูนย์สั่งการกล้ามเนื้อตากับไขสันหลัง และมีหน้าที่โดยหลักเกี่ยวกับรีเฟล็กซ์ที่ควบคุมการตรึงตา
  • ส่วนในโดยมากส่งสัญญาณแบบเร้า (excitatory)
  • ส่วนบนโดยมากส่งสัญญาณแบบยับยั้ง (inhibitory)
• ส่วนข้าง (lateral/Deiter's nucleus) ได้สัญญาณจากอวัยวะรับความรู้สึกทั้งสองกลุ่ม ส่งสัญญาณโดยหลักไปยัง lateral vestibulospinal tract และมีหน้าที่โดยหลักเกี่ยวกับรีเฟล็กซ์ที่ปรับท่าทางของร่างกาย
• ส่วนลงล่าง (descending) ได้รับสัญญาณโดยหลักจาก otolithic organs ส่งสัญญาณไปยังสมองน้อย, reticular formation, vestibular nuclei ในซีกร่างกายตรงข้าม, และไขสันหลัง นิวเคลียสนี้เชื่อว่ารวมสัญญาณจากระบบการทรงตัวกับสัญญาณสั่งการที่ส่งไปจากประสาทส่วนกลาง

เปลือกสมอง

นิวเคลียสประสาท vestibular nuclei ส่วนบน (superior) และข้าง (lateral) ส่งสัญญาณต่อไปยังนิวเคลียส ventral posterior nucleus ในทาลามัส ซึ่งก็ส่งสัญญาณต่อไปยังเปลือกสมอง 2 เขตที่ประมวลข้อมูลการทรงตัวรวมทั้ง[27]

• central sulcus คือในระหว่างคอร์เทกซ์สั่งการ (motor cortex) และคอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกาย (somatosensory cortex) ทำให้สามารถควบคุมการสั่งการ (motor control) ของศีรษะพร้อมร่างกาย[23][27]
• รอยนูนหลังร่องกลาง (primary somatosensory cortex) ทางด้านหลัง ทำให้สามารถรับรู้ตำแหน่งบวกการเคลื่อนไหวของร่างกาย[23][27]

งานวิจัยทางสรีรวิทยาไฟฟ้าพบว่า เซลล์ประสาทในเขตเหล่านี้ตอบสนองต่อทั้งสิ่งเร้าทางอากัปกิริยา สิ่งเร้าทางตา และสิ่งเร้าจากระบบการทรงตัว เช่น รูปที่กำลังเคลื่อนที่ และการหมุนตัวแม้ปิดตา นี่แสดงว่า เปลือกสมองเขตเหล่านี้มีหน้าที่เกี่ยวกับการรับรู้ตำแหน่งทิศทางของร่างกายกับปริภูมิรอบ ๆ ตัว จริงอย่างนั้น คนไข้ที่มีสมองกลีบข้างด้านขวาเสียหาย มีปัญหาในการรับรู้เยี่ยงนี้[27]

รูปแสดงการทำงานของ vestibulo-ocular reflex ตามลำดับตัวเลข (1) การหมุนของศีรษะไปทางขวา (2) การส่งสัญญาณยับยั้ง (inhibitory สีส้ม) ไปที่กล้ามเนื้อตาข้างหนึ่ง และส่งสัญญาณแบบเร้า (excitatory สีน้ำเงิน) ไปยังกล้ามเนื้อตาอีกข้างหนึ่ง (3) ผลก็คือตาเคลื่อนไหวไปทางซ้าย เพื่อชดเชยการหมุนศีรษะ

Vestibulo-ocular reflex (VOR)

vestibulo-ocular reflex (ตัวย่อ VOR) เป็นรีเฟล็กซ์การเคลื่อนไหวตาที่สร้างเสถียรภาพให้กับรูปที่ตกลงบนจอตาในขณะที่เคลื่อนไหวศีรษะ โดยเคลื่อนตาไปในทิศทางตรงกันข้ามของการเคลื่อนศีรษะ และดังนั้นจึงรักษารูปให้ตกลงที่ตรงกลางของลานสายตา ยกตัวอย่างเช่น ถ้าศีรษะเคลื่อนไปทางขวา ตาทั้งสองก็จะหมุนไปทางซ้ายมีผลให้ทอดสายตาที่จุดเดิม (ดูรูปหรือลองเพ่งที่ตัวอักษร "นี้" แล้วลองขยับหัว) และนัยตรงกันข้ามก็เช่นกันเพราะศีรษะเคลื่อนอย่างเล็กน้อยอยู่ตลอดเวลา VOR จึงสำคัญมากในการสร้างเสถียรภาพให้แก่การเห็นคนไข้ที่มี VOR เสียหายจะอ่านหนังสือได้ยาก เพราะไม่สามารถรักษาการทอดสายตาลงที่จุดเดียวกันเมื่อศีรษะขยับหรือสั่นเล็ก ๆ น้อย ๆVOR ทำงานได้โดยไม่ต้องเห็น คือสามารถทำงานได้แม้ในที่มืดสนิทหรือแม้เมื่อปิดตาอยู่

VOR สำคัญต่อการมองเห็น นี่สามารถเห็นได้โดยเปิดหนังสือในระยะที่อ่านได้สบาย ๆ มองตัวหนังสือที่ใดที่หนึ่งแล้วขยับหนังสือซ้ายขวากลับไปกลับมาครั้งหนึ่งต่อวินาที จะเห็นว่าไม่สามารถอ่านหนังสือได้ ทีนี้ทำอย่างเดียวกันแต่หันศีรษะกลับไปกลับมาครั้งหนึ่งต่อวินาทีโดยดูที่เดียวกัน แต่ตอนนี้กลับอ่านหนังสือได้โดยอาศัย VOR นี่เป็นรีเฟล็กซ์ที่ทำให้สามารถตรึงตราที่วัตถุในขณะที่กำลังเคลื่อนไหวอยู่ได้[23]

รีเฟล็กซ์นี้ เมื่อทำงานร่วมกับระบบดึง-ดันดังที่กล่าวมาก่อน เป็นเหตุผลลทางสรีรภาพในการตรวจประสาทที่เรียกว่า Rapid head impulse test หรือที่เรียกว่า Halmagyi-Curthoys-test ที่บังคับเคลื่อนศีรษะของผู้รับการทดสอบไปทางด้านข้างอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ตรวจดูว่าตาทั้งสองของผู้รับการทดสอบมองไปที่ที่เดียวกันหรือไม่และเพราะรีเฟล็กซ์สามารถทำงานได้แม้เมื่อไม่รู้สึกตัว จึงสามารถใช้ในการตรวจการทำงานของก้านสมองในคนไข้โคม่าได้ (ดูหัวข้อ "เมื่อใช้ในการวินิจฉัย")[25]