Chaque neurone dépense continuellement de l'énergie pour maintenir les gradients ioniques qui rendent possible la transmission des signaux électriques. L'enzyme responsable est la pompe sodium-potassium, ou Na+/K+-ATPase, qui fait sortir trois ions sodium de la cellule et y fait entrer deux ions potassium pour chaque molécule d'ATP hydrolysée.

Les gradients ainsi générés alimentent le potentiel de repos, l'influx de sodium lors des potentiels d'action, et de nombreux transporteurs secondaires qui acheminent les neurotransmetteurs et autres solutés. Cette pompe étant électrogénique (exportation nette d'une charge positive par cycle), elle contribue également, de façon modeste et directe, au potentiel membranaire. Son activité est régulée par la concentration intracellulaire de sodium, la phosphorylation et les voies de signalisation.

L'inhibition de la pompe par des glycosides cardiaques ou par déplétion énergétique provoque l'effondrement des gradients, la dépolarisation de la membrane et, finalement, l'arrêt de la transmission des signaux. Le coût métabolique élevé de cette pompe explique en grande partie la grande sensibilité du cerveau aux interruptions du flux sanguin ou de l'apport en oxygène. La compréhension du fonctionnement de cette pompe est donc essentielle à la fois à la neurophysiologie cellulaire et à la physiopathologie des atteintes métaboliques.

Environ la moitié de la consommation d'ATP du cerveau peut être attribuée à l'activité de cette seule enzyme.