Der Vestibularapparat (Gleichgewichtsorgan) besteht aus einer Reihe von Innenohrstrukturen, die den Sinn für Gleichgewicht und räumliche Orientierung vermitteln. Dieses System besteht aus Strukturen innerhalb des Labyrinths des Innenohrs, dazu gehören auch die Cochlea und zwei Makulaorgane, der Utriculus und der Sacculus. Das Labyrinth enthält auch drei halbkreisförmige Kanäle. Diese oberen, hinteren und horizontalen Kanäle sind in verschiedenen Ebenen orientiert.
Diese Strukturen enthalten alle vestibuläre Haarzellen, welche die Sinnesrezeptoren des Vestibularapparats sind. In den Otolithen befinden sich die Haarzellen unter einer gelartigen Membran, die auch Otolithenmembran genannt wird und Otokonien und Kalziumkarbonat-Kristalle enthält, wodurch sie relativ schwer wird. Wenn der Kopf gekippt wird, verschiebt sich die otolithische Membran und biegt die Stereozilien auf den Haarzellen.
In den halbkreisförmigen Kanälen befinden sich die Zilien der Haarzellen in einer gelartigen Cupula, die von Endolymphflüssigkeit umgeben ist. Wenn der Kopf bewegt wird, wie zum Beispiel bei zunehmenden oder abnehmenden Kreisbewegungen, bewegt sich die Flüssigkeit und beugt die Cupula und die Zilien in ihr.
Ähnlich wie bei den Hörhaarzellen führt die Verschiebung in Richtung der größten Zilien zur Öffnung mechanisch-geregelter Ionenkanäle. Dadurch wird die Zelle depolarisiert und die Neurotransmitterfreisetzung erhöht. Die Verschiebung in Richtung der kürzesten Zilien führt zu der Hyperpolarisierung der Zelle und verringert die Neurotransmitterfreisetzung im Vergleich zum Ruhepotential. Auf diese Weise werden Kopfbewegungen in neuronale Signale umgewandelt.
Vestibuläre Haarzellen sind innerhalb der Strukturen des Labyrinths in verschiedene Richtungen ausgerichtet. Diese sind ihrerseits auch noch weiter in verschiedene Richtungen ausgerichtet. So können verschiedene Arten und Richtungen von Kopfbewegungen erkannt werden. Diese Informationen werden vom Labyrinth durch den Gleichgewichtsnerv an Teile des Gehirns, wie Hirnstamm und Kleinhirn, sowie an bestimmte Sehmuskeln gesendet. Dies ermöglicht schnelle motorische Reaktionen. Ein Beispiel hierfür ist der vestibulo-okulare Reflex (vestibuläre Nystagmus), der die Augenposition anpasst, um den Blick während der Kopfbewegungen zu stabilisieren.
Im Gehirn werden vestibuläre Informationen von beiden Ohren mit anderen Arten von sensorischen Informationen wie z.B. visuellen Informationen integriert, um die räumliche Orientierung zu unterstützen. Einige vestibuläre Informationen werden durch den Thalamus zur Unterstützung der bewussten Wahrnehmung der Orientierung im Raum an die Großhirnrinde geschickt.
