Η ωχρή εμφάνιση της φρεσκοκομμένης λευκής ουσίας προέρχεται από τη μυελίνη που περιβάλλει τους άξονές της. Η λευκή ουσία αποτελείται κυρίως από εμμύελινωμένες ίνες μεγάλου βεληνεκούς που συνδέουν διαφορετικές φλοιώδεις περιοχές, συνδέουν τον φλοιό με τους βαθιούς πυρήνες και τον νωτιαίο μυελό και διασυνδέουν τα δύο ημισφαίρια.

Οι κύριες νευρικές οδοί περιλαμβάνουν το μεσολόβιο, την εσωτερική κάψα και τις πολλές οδούς σύνδεσης που διατρέχουν κάθε ημισφαίριο. Επειδή η μυελίνη επιτρέπει την ταχεία αγωγιμότητα, η ακεραιότητα της λευκής ουσίας είναι απαραίτητη για τον έγκαιρο συντονισμό των κατανεμημένων νευρωνικών δικτύων. Η μαγνητική τομογραφία διάχυσης επιτρέπει πλέον την απεικόνιση και την ποσοτικοποίηση αυτών των νευρικών οδών στον ζωντανό εγκέφαλο.

Ασθένειες που προσβάλλουν κατά προτίμηση τη λευκή ουσία - σκλήρυνση κατά πλάκας, λευκοδυστροφίες, αγγειακή νόσος των μικρών αγγείων - προκαλούν ελλείμματα που αντανακλούν την αποσύνδεση των περιοχών που συνδέουν κανονικά οι οδοί. Οι αλλαγές στη λευκή ουσία που σχετίζονται με την ηλικία συμβάλλουν επίσης στην γνωστική επιβράδυνση. Η κατανόηση της οργάνωσης της λευκής ουσίας έχει γίνει εξίσου σημαντική με τη χαρτογράφηση των φλοιωδών περιοχών για την εξήγηση τόσο της φυσιολογικής λειτουργίας όσο και των νευρολογικών συμπτωμάτων.

Μια βλάβη σε μια κρίσιμη οδό μπορεί να διαταράξει μια λειτουργία ακόμη και όταν οι ίδιες οι φλοιώδεις περιοχές παραμένουν άθικτες.