Im Gehirn unterstützt Acetyl-L-Carnitin die Synthese und Aktivität des Neurotransmitters Acetylcholin. Cholinerge Nervenzellen, die Acetylcholin zur Reizübertragung nutzen, sind in verschiedenen Hirnregionen zu finden (so in Großhirnrinde, Hippocampus und Hypothalamus) und u. a. für das Gedächtnis, Denken und Bewegen bedeutsam. Darüber hinaus nutzt der parasympathische Teil des autonomen Nervensystems cholinerge Neuronen, und periphere cholinerge motorische Nervenfasern steuern die Skelettmuskeln an. Auch gibt es Hinweise darauf, dass Acetyl-L-Carnitin eine positive Wirkung auf die dopaminerge Neurotransmission und die Synthese des Nervenwachstumsfaktors (wichtig für die Regeneration von Nervengewebe) und von Beta-Endorphin (körpereigener opioider Neurotransmitter mit u. a. stressreduzierender und schmerzstillender Wirkung) hat. Acetyl-L-Carnitin verbessert die Konzentration, das Gedächtnis und die Stimmung und kann bei innerer Unruhe helfen, auch schon in jungen Jahren.
