Nyskuren hjärnvävnad avslöjar två distinkta färger. Den grå substansen består huvudsakligen av nervcellskroppar, dendriter, omyeliniserade axoner och synapserna mellan dem. Den bildar det yttre kortikala skiktet och förekommer även i djupa kärnor och i ryggmärgens centrala kärna.

Eftersom synapser är koncentrerade här är grå substans den primära platsen för neurala beräkningar. Kortikal grå substans är organiserad i lager som skiljer sig åt i celltyper och kopplingar. Tjockleken och integriteten hos grå substans förändras över livslängden och förändras vid många neurologiska och psykiatriska tillstånd; modern avbildning kvantifierar dessa förändringar hos levande människor.

Vit substans innehåller däremot de långväga myeliniserade axon som länkar samman avlägsna gråsubstansregioner. Båda avdelningarna är viktiga, men det är i den grå substansen som den mesta lokala bearbetningen och plasticiteten sker. Histologiska färgningar som framhäver cellkroppar har använts i mer än ett sekel för att kartlägga gråsubstansarkitekturen.

Förlust av grå substansvolym korrelerar ofta med kognitiv nedgång vid åldrande och sjukdom.