A pesar de los avances en la atención obstétrica y neonatal, siguen existiendo retos en la identificación precoz de neonatos con encefalopatía debida a hipoxia-isquemia que están siendo sometidos a hipotermia terapéutica. Por ello, existe una profunda búsqueda de biomarcadores que puedan identificar la lesión cerebral. Los objetivos de este estudio fueron investigar las expresiones séricas y cerebrales de dos biomarcadores potenciales, miR-126/miR-146a, en un modelo preclínico de lesión cerebral inducida por hipoxia-isquemia (HI), y explorar su modulación durante el tratamiento con melatonina. Se sometió a ratas de siete días a una ligadura permanente de la arteria carótida derecha seguida de 2,5 h de hipoxia (HI). Se administró melatonina (15 mg/kg) 5 min después de la IH. Se recogieron muestras de suero y cerebro 1, 6 y 24 h después de la IH. Los resultados muestran que la IH provocó un aumento significativo de los niveles circulantes tanto de miR-126 como de miR-146a durante la fase temprana del desarrollo del daño cerebral isquémico (es decir, 1 h), con un patrón paralelo y opuesto en la corteza cerebral isquémica. Estos efectos no se observan 24 h después. El tratamiento con melatonina restauró los efectos inducidos por el HI sobre las expresiones de miR-126/miR-146a, tanto en la corteza cerebral como en el suero. Concluimos que miR-126/miR-146a son biomarcadores prometedores de la lesión por IH y demuestran un cambio asociado en la concentración tras el tratamiento con melatonina.