认知神经科学视角下的小脑功能研究已显著转变。基于大脑-小脑转换、思维障碍理论以及大脑皮层连接原则的深入认识，加之神经解剖学、脑成像与临床观察的最新证据，当代神经科学将小脑定位为维持行为的分布式神经环路的关键环节。小脑的认知框架源于对后叶三种认知表征的识别，这些表征与大脑关联区相互联系，不同于与脊髓和大脑运动区相关的初级和次级小脑感觉运动表征。

功能磁共振研究揭示，小脑在运动与认知任务中的激活模式与脑小脑环路的解剖学一致。前叶和小叶VIII在明显运动时被激活，而小脑后部和外侧区域在认知任务中活跃。语言任务表现出右侧化特征，与大脑皮层的对侧连接一致；工作记忆和其他执行功能任务是双侧的；视觉空间任务则左侧化。激活模式显示，小脑参与了社会认知任务，尤其是在进行心理化任务时小脑后部活动增强，以及在镜像过程中前部参与更多。

静息态功能连接MRI提供了对小脑组织和功能连接的新见解。大脑半球中的内在连通性网络由位置上相距遥远、功能上相互耦合的脑区组成。功能连通性与解剖结构连通性并不相同，特定的内在连通性网络有助于运动、注意力和边缘系统的支配。

对小脑功能的再验证性研究基于人类连接体数据集进行，显示小脑皮质的不同区域参与了运动、语言、工作记忆、社交和情感任务的处理。运动加工主要涉及小叶IV-VI和VIII，而非运动加工则主要涉及小叶VII（包括小叶VIIA的半球延伸）、小叶VIIB和小叶IX。基于效应大小的阈值在大样本背景下揭示了运动与非运动激活以及非运动加工的不同方面的功能特异性。静息态功能连通性MRI的大脑小脑功能连通性验证了这些地形图，表明根据大脑皮层任务激活峰值计算的静息态连通性与小脑中每个相应的任务激活图大部分重叠。

小脑区域之间的功能关系由它们与小脑外结构的地形图排列的相互作用所驱动。小脑功能特异化遵循从运动到目标导向认知加工，再到非目标导向认知加工的分级组织。在大脑皮层，功能区之间的关系受到从初级加工到多模态加工层次结构的支配。小脑中的辅助轴隔离了以任务为中心的加工，不同功能区域沿功能梯度排列。

小脑的普遍转换理论（UCT）预测小脑的功能特异化由解剖连接的变化决定，而非显微结构的变化。使用MRI强度作为微观结构和从静息态连通性得出的功能梯度作为功能特异化的间接指标对该理论进行了检验，结果显示强烈的微结构-功能相关性，与小脑皮质结构的二重性一致，为UCT理论提供了经验支持。

经颅磁刺激（TMS）和经颅直流电刺激（TDCS）评估了小脑在语言预测中的作用。右侧小脑TMS在需要预测的语言任务中会中断操作，而小脑激活增强与句子补全任务中的右小脑VII区小脑激活增强相关。用阳极tDCS调制右小结I/II会导致预测性语言加工过程中的小脑信号变化，并增加了阅读/语言网络内的功能连接。

小脑认知情感综合征（CCAS）的描述基于临床相关性，特别是通过动词—名词生成范式激活小脑。在一组患者的临床表现中，包括执行功能、视觉空间表现和语言加工的缺陷，以及情感调节障碍，特别是当病变累及小脑时。小脑认知情感综合征（CCAS）已被发现涉及许多儿童和成人的后天和遗传性、局灶性或弥漫性小脑疾病。

小脑卒中与结构-功能相关性的研究显示了卒中对不同小脑区域的特定影响，包括第VIII小叶的第二小脑运动区和小脑后下动脉闭塞引起的后叶卒中产生的CCAS。小脑结构和功能的差异在自闭症谱系障碍、创伤后应激障碍、人格障碍、精神分裂症和双相情感障碍中受到关注，研究显示了小脑在这些疾病中的形态或连通性变化。

小脑的神经精神病学研究揭示了小脑蚓部和顶核受损与神经精神症状的关联，包括情感迟钝、缺乏启蒙、冷漠、抑郁、失去同理心或不受约束的、易怒和不恰当的行为的人格变化。小脑的神经精神评定量表正在开发中，以揭示和评估小脑疾病患者的神经精神障碍。

小脑疾病患者的认知和情感问题为干预提供了道路，包括认知和情绪的药物、认知行为干预以及对认知或神经精神衰退患者的非侵入性方法。聚焦超声技术等方法可能利用UCT的调节来改善患者的预后，尤其是在自闭症或精神分裂症患者中。