Die räumliche Orientierung setzt voraus, dass ein einheitlicher und stabiler Sinn für die Kopfrichtung zur Verfügung steht. Dieser Sinn beruht auf dem System der Kopfrichtungszellen (HD-Zellen, für *head-direction*), einem über mehrere Hirnstrukturen verteilten neuronalen Netzwerk, dessen Neurone selektiv in Abhängigkeit von der Ausrichtung des Kopfes des Tieres in der Horizontalebene feuern. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieses Systems ist die konstante zeitliche Koordination zwischen den HD-Zellen: Ihre Korrelationsstruktur bleibt unabhängig vom Verhalten des Tieres, seinem Vigilanzzustand oder den verfügbaren sensorischen Eingängen erhalten, was ein einheitliches und persistentes Richtungssignal gewährleistet. Die Mechanismen, die dieser zeitlichen Organisation zugrunde liegen, blieben jedoch ebenso unbekannt wie die Frage, ob sie sich selbst organisiert oder von Eingängen außerhalb des HD-Systems abhängt.
Um die Rolle des Kleinhirns bei dieser Organisation zu untersuchen, zeichneten die Autoren mithilfe von Tetroden gleichzeitig die Einzelzellaktivität von HD-Zellen in zwei verschiedenen Strukturen auf, dem anterodorsalen Thalamuskern und dem retrosplenialen Kortex, bei sich frei bewegenden adulten Mäusen. Zwei transgene Mausmodelle, die spezifisch auf die Plastizität der Purkinje-Zellen des Kleinhirns abzielten, wurden mit ihren Kontrolltieren verglichen: das eine defizient für die von der Proteinkinase C (PKC) abhängige Langzeitdepression (Linie L7-PKCI), das andere defizient für die von der Proteinphosphatase 2B (PP2B) abhängige Potenzierung (Linie L7-PP2B). Die Aufzeichnungen wurden unter kontrollierten sensorischen Bedingungen durchgeführt, insbesondere in Anwesenheit oder Abwesenheit externer visueller Landmarken (Hell- und Dunkelbedingungen).
Die Ergebnisse zeigen die Existenz zweier unterschiedlicher HD-Netzwerke innerhalb des retrosplenialen Kortex und des Thalamus, deren zeitliche Koordination hin zu einem einheitlichen Richtungssignal eine zerebelläre Verarbeitung erfordert. Paare von HD-Zellen verlieren nämlich ihre zeitliche Koordination, und zwar spezifisch bei Wegfall der externen sensorischen Eingänge. Darüber hinaus spielen die beiden zerebellären Mechanismen dissoziierbare Rollen: Die von PP2B abhängigen Prozesse erleichtern die Verankerung des HD-Signals an externen Landmarken, während die von PKC abhängigen Prozesse für die Stabilität des Signals auf Basis von Eigenbewegungshinweisen erforderlich sind. So weisen L7-PKCI-Mäuse instabile HD-Zellen in der Dunkelheit auf, während L7-PP2B-Mäuse eine geringere Stabilität und eine schwache Kontrolle durch externe Landmarken unter Hellbedingungen zeigen.
Die Autoren verwerfen die Hypothese eines Bias des Winkelgeschwindigkeitssignals, da die Entladungseigenschaften der Zellen, die diese Geschwindigkeit kodieren, unverändert bleiben, und führen die beobachteten Veränderungen auf einen Defekt der vom Kleinhirn abhängigen multisensorischen Integration zurück. Letztlich legen diese Arbeiten die Existenz mehrerer Richtungssignale im Gehirn der Maus nahe, deren zeitliche Koordination und räumliche Stabilität vom Kleinhirn orchestriert werden, das somit dazu beiträgt, einen einheitlichen und stabilen Richtungssinn zu bewahren.