D-丝氨酸是L-丝氨酸通过消旋作用转化而来的一种氨基酸。补充D-丝氨酸可以减少认知能力下降的症状，并减少以减少N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）信号为特征的疾病症状，如可卡因依赖和精神分裂症。
已知谷氨酰胺能信号传导可增强记忆形成，因为NMDA受体的激活引起钙内流和动员钙调蛋白依赖性激酶（CaMK）和CREB结合蛋白，从而诱导长时程增强（LTP），这是记忆形成的基础机制，并导致NMDA信号传导的增加，进而增加记忆力和LTP。L-苏糖酸镁也观察到具有类似的记忆增强机制。D-丝氨酸能够通过增强NMDA受体的信号传导来促进记忆和学习。
通过影响NMDA甘氨酸结合位点并正向调节信号传导，D-丝氨酸被认为可以减轻精神分裂症的症状。精神分裂症似乎是一种D-丝氨酸缺乏状态，而D-丝氨酸的补充可以改善阴性症状。研究发现，在类似的研究条件下，30mg/kg的D-丝氨酸与800mg/kg的甘氨酸具有相似的效果。随着时间的推移，补充剂在2周内对消极症状有益，6周观察期内效果增加，并且在60-120mg/kg的更高剂量范围内效果更明显。
D-丝氨酸似乎可以有效减少精神分裂症的所有症状，尤其是阴性和认知症状。然而，标准推荐剂量为30mg/kg可能不够可靠，因为D-丝氨酸在血液中的浓度存在很大的变异性。根据有限的证据，服用更高剂量的D-丝氨酸似乎更可靠。
帕金森氏病的一些症状与精神分裂症的阴性症状相似，因此服用D-丝氨酸可能对帕金森氏病患者有益。此外，纹状体中的多巴胺能神经元参与NMDA信号传导，而帕金森病患者的NMDA受体已知会发生改变。
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