Varje neuron förbrukar kontinuerligt energi för att upprätthålla jonkradienterna som möjliggör elektrisk signalering. Enzymet som är ansvarigt är natrium-kaliumpumpen, eller Na+/K+-ATPas, som flyttar tre natriumjoner ut ur cellen och två kaliumjoner in för varje hydrolyserad ATP-molekyl.

De resulterande gradienterna driver vilopotentialen, tillströmningen av natrium under aktionspotentialer och många sekundära transportörer som flyttar neurotransmittorer och andra lösta ämnen. Eftersom pumpen är elektrogen – nettoexport av en positiv laddning per cykel – bidrar den också blygsamt och direkt till membranpotentialen. Dess aktivitet regleras av intracellulära natriumnivåer, fosforylering och signalvägar.

Att hämma pumpen med hjärtglykosider eller genom energibrist gör att gradienterna kollapsar, membranet depolariseras och i slutändan förhindrar ytterligare signalering. Pumpens höga metaboliska kostnad är en viktig anledning till att hjärnan är så känslig för avbrott i blodflödet eller syretillförseln. Att förstå pumpens funktion är därför centralt för både cellulär neurofysiologi och patofysiologin bakom metabola störningar.

Ungefär hälften av hjärnans ATP-förbrukning kan tillskrivas aktiviteten hos detta enda enzym.