Seperti jaringan lain, otak memerlukan O2 dan nutrisi untuk memenuhi kebutuhan metabolismenya. Namun demikian, terdapat keunikan metabolisme otak yang perlu diperhatikan.
Kecepatan metabolisme otak total dan kecepatan metabolisme neuron. Dalam keadaan istirahat (sadar), metabolisme otak kira-kira mencapai 15 % dari seluruh metabolisme dalam tubuh walaupun massa otak hanya 2 % dari massa tubuh total. Oleh karena itu, metabolisme otak per unit massa jaringan kira-kira 7,5 kali metabolisme rata-rata jaringan selain sistem saraf dalam keadaan istirahat. Sebagian besar kelebihan metabolisme otak terjadi di neuron bukan di jaringan penyangga glia. Kebutuhan utama untuk berlangsungnya metabolisme di neuron adalah pemompaan ion melalui membran neuron terutama untuk mengangkut Na+ dan Ca2+ ke bagian luar membran neuron dan K+ ke bagian dalam. Setiap kali neuron menghantarkan potensial aksi, ion-ion ini bergerak melalui membran yang meningkatkan kebutuhan transpor membran untuk memulihkan konsentrasi ion yang sesuai. Oleh karena itu, metabolisme neuron dapat meningkat sebesar 100-150 % ketika aktivitas otak berlebih.
Kebutuhan khusus otak terhadap O2. Kebanyakan jaringan tubuh dapat “hidup” tanpa O2 selama beberapa menit dan sebagian jaringan lain sampai 30 menit. Selama waktu itu, jaringan sel memperoleh energinya melalui proses metabolisme anaerob yang berarti pelepasan energi dari pemecahan sebagian glukosa dan glikogen tanpa adanya penggabungan zat-zat tersebut dengan O2. Pengiriman energi ini hanya terjadi pada pemakaian sejumlah besar glukosa dan glikogen. Akan tetapi, hal ini dapat menjaga agar jaringan tetap hidup.
Otak tidak mampu melangsungkan metabolisme anaerob selama itu. Salah satu alasan untuk hal tersebut adalah tingginya kecepatan metabolisme neuron sehingga sebagian besar aktivitas neuron bergantung pada pengiriman O2 detik demi detik dari darah. Dengan merangkum faktor ini bersama-sama, kita dapat mengerti mengapa penghentian aliran darah ke otak atau kehilangan O2 yang tiba-tiba dalam darah dapat menyebabkan hilangnya kesadaran dalam waktu 5-10 detik.
Dalam kondisi normal, sebagian besar energi otak disuplai oleh glukosa. Dalam kondisi normal, hampir seluruh energi yang digunakan oleh sel otak disuplai oleh glukosa yang berasal dari darah. Seperti O2, sebagian besar glukosa berasal dari darah kapiler menit demi menit dan detik demi detik dengna jumlah total hanya sekitar dua menit suplai glukosa yang normalnya disimpan sebagai glikogen dalam neuron di setiap saat.
Ciri khas pengiriman glukosa ke neuron adalah bahwa transpornya ke dalam neuron melalui membran tidak bergantung pada insulin meskipun insulin dibutuhkan untuk pengangkutan glukosa ke dalam sebagian besar sel tubuh lainnya. Oleh karena itu, pada pasien yang menderita diabetes berat oleh sekresi insulin yang mencapai nol, glukosa masih berdifusi dengan mudah ke dalam neuron yang sangat bermanfaat untuk mencegah hilangnya fungsi mental pada pasien diabetes. Akan tetapi, bila pasien diabetes diberi insulin secara berlebihan, konsentrasi glukosa darah dapat menjadi sangat rendah karena kelebihan insulin menyebabkan hampir seluruh glukosa dalam darah ditranspor dengan cepat ke dalam sejumlah besar sel selain saraf yang sensitif insulin ke seluruh tubuh, khususnya ke dalam sel otot dan sel hati. Bila hal ini terjadi, glukosa yang tersisa dalam darah tidak cukup untuk menyuplai neuron dengan baik dan fungsi mental kemudian menjadi sangat terganggu, kadang-kadang sampai menyebabkan koma dan bahkan lebih sering menimbulkan ketidakseimbangan mental serta gangguan psikotik—semua gangguan tersebut disebabkan oleh terapi yang berlebihan dengan insulin.