Jedes Neuron verbraucht kontinuierlich Energie, um die Ionengradienten aufrechtzuerhalten, die die elektrische Signalübertragung ermöglichen. Das dafür verantwortliche Enzym ist die Natrium-Kalium-Pumpe, auch Na+/K+-ATPase genannt. Sie transportiert pro hydrolysiertem ATP-Molekül drei Natriumionen aus der Zelle und zwei Kaliumionen in die Zelle.

Die entstehenden Gradienten treiben das Ruhepotential, den Natriumeinstrom während Aktionspotentialen und zahlreiche sekundäre Transporter an, die Neurotransmitter und andere gelöste Stoffe transportieren. Da die Pumpe elektrogen ist – sie exportiert netto eine positive Ladung pro Zyklus –, trägt sie auch in geringem Maße und direkt zum Membranpotential bei. Ihre Aktivität wird durch intrazelluläre Natriumkonzentrationen, Phosphorylierung und Signalwege reguliert.

Die Hemmung der Pumpe durch Herzglykoside oder Energiemangel führt zum Zusammenbruch der Gradienten, zur Depolarisation der Membran und letztendlich zur Unterbrechung weiterer Signalübertragung. Der hohe Stoffwechselaufwand der Pumpe ist ein Hauptgrund dafür, dass das Gehirn so empfindlich auf Unterbrechungen der Blutversorgung oder Sauerstoffzufuhr reagiert. Das Verständnis der Pumpenfunktion ist daher sowohl für die zelluläre Neurophysiologie als auch für die Pathophysiologie metabolischer Störungen von zentraler Bedeutung.

Etwa die Hälfte des ATP-Verbrauchs des Gehirns lässt sich auf die Aktivität dieses einzelnen Enzyms zurückführen.