Ο φρεσκοκομμένος εγκεφαλικός ιστός αποκαλύπτει δύο ξεχωριστά χρώματα. Η φαιά ουσία αποτελείται κυρίως από νευρωνικά κυτταρικά σώματα, δενδρίτες, αμύελινωμένους άξονες και τις συνάψεις μεταξύ τους. Σχηματίζει το εξωτερικό φλοιώδες φύλλο και εμφανίζεται επίσης σε βαθιούς πυρήνες και στον κεντρικό πυρήνα του νωτιαίου μυελού.

Επειδή οι συνάψεις συγκεντρώνονται εδώ, η φαιά ουσία είναι η κύρια θέση νευρωνικών υπολογισμών. Η φλοιώδης φαιά ουσία είναι οργανωμένη σε στιβάδες που διαφέρουν ως προς τους κυτταρικούς τύπους και τις συνδέσεις. Το πάχος και η ακεραιότητα της φαιάς ουσίας αλλάζουν κατά τη διάρκεια της ζωής και μεταβάλλονται σε πολλές νευρολογικές και ψυχιατρικές παθήσεις. Η σύγχρονη απεικόνιση ποσοτικοποιεί αυτές τις αλλαγές σε ζωντανούς ανθρώπους.

Αντίθετα, η λευκή ουσία περιέχει τους εμμύελινωμένους άξονες μεγάλης εμβέλειας που συνδέουν απομακρυσμένες περιοχές της φαιάς ουσίας. Και τα δύο διαμερίσματα είναι απαραίτητα, ωστόσο η φαιά ουσία είναι το μέρος όπου λαμβάνει χώρα η περισσότερη τοπική επεξεργασία και πλαστικότητα. Οι ιστολογικές χρώσεις που αναδεικνύουν τα κυτταρικά σώματα χρησιμοποιούνται για περισσότερο από έναν αιώνα για τη χαρτογράφηση της αρχιτεκτονικής της φαιάς ουσίας.

Η απώλεια όγκου φαιάς ουσίας συχνά συσχετίζεται με τη γνωστική εξασθένηση λόγω γήρανσης και ασθενειών.