Friskåret hjernevæv afslører to forskellige farver. Den grå substans består hovedsageligt af neuronale cellelegemer, dendritter, umyeliniserede axoner og synapserne mellem dem. Den danner den ydre kortikale plade og findes også i dybe kerner og i rygmarvens centrale kerne.

Fordi synapser er koncentreret her, er grå substans det primære sted for neural beregning. Kortikal grå substans er organiseret i lag, der adskiller sig i celletyper og forbindelser. Tykkelsen og integriteten af ​​grå substans ændrer sig i løbet af levetiden og ændres i mange neurologiske og psykiatriske tilstande; moderne billeddannelse kvantificerer disse ændringer hos levende mennesker.

I modsætning hertil indeholder hvid substans de langtrækkende myeliniserede axoner, der forbinder fjerne grå substansområder. Begge rum er essentielle, men det er i den grå substans, at den meste lokale bearbejdning og plasticitet finder sted. Histologiske farvninger, der fremhæver cellelegemer, er blevet brugt i mere end et århundrede til at kortlægge grå substansarkitektur.

Tab af grå substans er ofte korreleret med kognitiv tilbagegang i forbindelse med aldring og sygdom.