本发明涉及下述通式(I)表示的N-取代α-氨基酸衍生物、其各种盐、该盐的水合物、各种光学异构体的单体、或其各种光学异构体的混合物，其中A1、A2所表示的取代基是在通式(I)中的NCHCOOH结构上连接形成α-氨基酸的基团，或A1、A2相连形成含有一个N杂原子的5～6元杂环或苯并杂环，A3表示H或1～3个碳原子的直链或支链的烷基，A4、A5表示H、1～3个碳原子的直链或支链的烷基，或A4、A5相连形成含有两个O杂原子的5～6元杂环。本发明还涉及该类N-取代α-氨基酸衍生物的制备方法、对神经元具有再生和保护作用的药物组合物以及在制备有助于改善神经系统功能包括治疗脑功能障碍、记忆衰退及因脑供血不足或神经递质缺乏导致的功能障碍等疾病的药物制剂中的应用。