Le nerf trochléaire commence au niveau du noyau trochléaire. Celui-ci est situé au niveau du colliculus inférieur dans la partie antérieure de la substance grise qui entoure l'aqueduc cérébral du mésencéphale. De là, le nerf contourne l'aqueduc par voie postérieure jusqu'au côté opposé où il émerge du mésencéphale au niveau du velum médullaire supérieur. Le nerf contourne ensuite le côté du tronc cérébral - il a le plus long parcours de tous les nerfs crâniens - pour pénétrer dans la fissure orbitale supérieure.
Dans la cavité orbitale, le nerf trochléen alimente le muscle oblique supérieur.
Le noyau trochléaire reçoit des informations corticales, en particulier du cortex occipital via le colliculus supérieur, et des informations des troisième, sixième et huitième nerfs crâniens via le faisceau longitudinal médian.
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