D-Serine ถูกใช้เป็นสารสื่อประสาทในระบบประสาทส่วนกลาง โดยทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์ของตัวรับ NMDA (N-methyl-D-aspartate receptor) ซึ่งมีความสำคัญต่อการเรียนรู้ ความจำ และการปรับตัวของระบบประสาท นอกจากนี้ D-Serine ยังมีการศึกษาในการรักษาโรคทางจิตเวช เช่น โรคจิตเภท (schizophrenia) โดยเฉพาะในด้านการปรับปรุงอาการทางลบและอาการรบกวนทางความคิด เนื่องจากมีบทบาทในการเพิ่มการทำงานของตัวรับ NMDA ที่บกพร่องในผู้ป่วยบางราย ยังมีงานวิจัยที่สำรวจบทบาทของ D-Serine ในการป้องกันความเสื่อมของเซลล์ประสาทในโรคทางระบบประสาท เช่น โรคอัลไซเมอร์ และโรคฮันติงตัน รวมถึงการใช้เป็นตัวชี้วัดทางชีวภาพ (biomarker) ในการตรวจภาวะอักเสบหรือความผิดปกติของสมองในอนาคต