En raison de la capacité de la carnitine à pénétrer dans le cerveau et de son rôle intégral dans les mitochondries, les gènes, l'acétyl-carnitine a été étudiée pour ses effets sur l'humeur. Les animaux sujets à des humeurs dépressives négatives se sont avérés avoir de très faibles niveaux d'acétyl-carnitine dans l'hippocampe, combinés à des niveaux accrus de glutamate (un neurotransmetteur excitateur) et une diminution de la plasticité cérébrale.
De même, les niveaux de carnitine étaient faibles chez les adultes, en particulier les femmes qui ont subi un traumatisme et un choc pendant l'enfance. Les suppléments de carnitine ont considérablement amélioré l'humeur et la tolérance au stress chez les personnes de mauvaise humeur ou celles qui souffrent de stress chronique et de fatigue. Les résultats peuvent souvent être vus en une semaine ou moins. Même les personnes âgées qui ont une humeur léthargique chronique montrent des changements positifs dans leurs émotions en peu de temps sans effets secondaires.
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