I fusi neuromuscolari sono delle strutture fusiformi situate parallelamente alle fibre muscolari: essi presentano una parte centrale costituita dai nuclei e una parte polare in grado di contrarsi.
L'innervazione fusale è sia di tipo sensitivo che motorio; durante lo stiramento del muscolo i fusi neuromuscolari si stirano, seguendo il movimento delle fibre muscolari, si eccitano, e attraverso la loro innervazione sensitiva inviano il segnale al midollo, che determina una contrazione (riflesso miotatico).
L'innervazione sensitiva origina dalla parte centrale del fuso, dove è disposta a spirale, in modo da poter essere sensibile allo stiramento. L'innervazione motoria del fuso neuromuscolare, invece, interessa i poli, che sono la parte contrattile. Queste fibre dipartono da particolari neuroni delle corna anteriori del midollo spinale detti gamma-motoneuroni, a differenza dei motoneuroni deputati alla contrazione delle fibre muscolari che vengono detti alfa.
L'innervazione motoria dei fusi neuro muscolari è di fondamentale importanza per l'evolversi del movimento volontario: senza di essa non si avrebbe la possibilità di estendere l'avambraccio sul braccio senza che questo torni indietro; rispetto al quadricipite femorale, non si avrebbe una contrazione se il ginocchio non cedesse gravemente.
Per spiegare questo atteggiamento consideriamo la dinamica del circuito alfa gamma.
I gamma-motoneuroni sono in grado attraverso le fibre gamma di contrarre la parte contrattile del fuso neuromuscolare.
Questi, contraendosi, indipendentemente dallo stiramento del muscolo, stirano i poli, facendo sì che le fibre sensitive avvertano questo stiramento come uno stiramento del muscolo. Queste a sua volta inviano il segnale al motoneurone alfa, deputato alla contrazione del muscolo, lo eccitano e il muscolo si contrae. Questo atteggiamento fa sì che il muscolo si possa contrarre per via riflessa senza implicare i sistemi nervosi superiori senza un precedente prestiramento o, come nel caso del quadricipite femorale, con stiramenti millesimali.
Se invece non si vuole che questa dinamica sia in atto, come nel caso dell'estensione dell'avambraccio sul braccio, gli alfa-motoneuroni diminuiscono la scarica motoria ai fusi neuromuscolari, questi si allungano e non permettono che il riflesso di stiramento si attivi, se non con stiramenti superiori alla lunghezza che il fuso ha raggiunto.
L'alternanza del circuito alfa-gamma e il suo coordinamento determina il tono di base, e dunque gli stati di ipotonia (depressivi) o di ipertonia (maniacali).