Das blasse Aussehen frisch geschnittener weißer Substanz rührt von der Myelinscheide her, die ihre Axone umhüllt. Weiße Substanz besteht hauptsächlich aus langstreckigen, myelinisierten Fasern, die verschiedene kortikale Areale miteinander verbinden, die Großhirnrinde mit tiefen Kerngebieten und dem Rückenmark verknüpfen und die beiden Hemisphären miteinander verbinden.

Zu den wichtigsten Faserbahnen gehören der Corpus callosum, die Capsula interna und die zahlreichen Assoziationsbahnen in jeder Hemisphäre. Da Myelin eine schnelle Erregungsleitung ermöglicht, ist die Integrität der weißen Substanz essenziell für die zeitgerechte Koordination verteilter neuronaler Netzwerke. Die Diffusions-MRT erlaubt es nun, diese Faserbahnen im lebenden Gehirn sichtbar zu machen und zu quantifizieren.

Erkrankungen, die vorwiegend die weiße Substanz angreifen – Multiple Sklerose, Leukodystrophien, Mikroangiopathien – führen zu Defiziten, die eine Unterbrechung der normalerweise durch die Faserbahnen verbundenen Hirnregionen widerspiegeln. Auch altersbedingte Veränderungen der weißen Substanz tragen zu einer Verlangsamung der kognitiven Funktionen bei. Das Verständnis der Organisation der weißen Substanz ist für die Erklärung sowohl normaler Funktionen als auch neurologischer Symptome ebenso wichtig wie die Kartierung kortikaler Areale.

Eine Läsion in einem kritischen Faserbündel kann eine Funktion beeinträchtigen, selbst wenn die kortikalen Bereiche selbst intakt bleiben.