White matter disruption is an important determinant of cognitive impairment after brain injury, but conventional neuroimaging underestimates its extent. In contrast, diffusion tensor imaging provides a validated and sensitive way of identifying the impact of axonal injury. The relationship between cognitive impairment after traumatic brain injury and white matter damage is likely to be complex. We applied a flexible technique—tract-based spatial statistics—to explore whether damage to specific white matter tracts is associated with particular patterns of cognitive impairment. The commonly affected domains of memory, executive function and information processing speed were investigated in 28 patients in the post-acute/chronic phase following traumatic brain injury and in 26 age-matched controls. Analysis of fractional anisotropy and diffusivity maps revealed widespread differences in white matter integrity between the groups. Patients showed large areas of reduced fractional anisotropy, as well as increased mean and axial diffusivities, compared with controls, despite the small amounts of cortical and white matter damage visible on standard imaging. A stratified analysis based on the presence or absence of microbleeds (a marker of diffuse axonal injury) revealed diffusion tensor imaging to be more sensitive than gradient-echo imaging to white matter damage. The location of white matter abnormality predicted cognitive function to some extent. The structure of the fornices was correlated with associative learning and memory across both patient and control groups, whilst the structure of frontal lobe connections showed relationships with executive function that differed in the two groups. These results highlight the complexity of the relationships between white matter structure and cognition. Although widespread and, sometimes, chronic abnormalities of white matter are identifiable following traumatic brain injury, the impact of these changes on cognitive function is likely to depend on damage to key pathways that link nodes in the distributed brain networks supporting high-level cognitive functions.

Importance

 Continuous positive airway pressure (CPAP) and high-flow nasal oxygen (HFNO) have been recommended for acute hypoxemic respiratory failure in patients with COVID-19. Uncertainty exists regarding the effectiveness and safety of these noninvasive respiratory strategies. 

Objective

 To determine whether either CPAP or HFNO, compared with conventional oxygen therapy, improves clinical outcomes in hospitalized patients with COVID-19–related acute hypoxemic respiratory failure. 

Design, Setting, and Participants

 A parallel group, adaptive, randomized clinical trial of 1273 hospitalized adults with COVID-19–related acute hypoxemic respiratory failure. The trial was conducted between April 6, 2020, and May 3, 2021, across 48 acute care hospitals in the UK and Jersey. Final follow-up occurred on June 20, 2021. 

Interventions

 Adult patients were randomized to receive CPAP (n = 380), HFNO (n = 418), or conventional oxygen therapy (n = 475). 

Main Outcomes and Measures

 The primary outcome was a composite of tracheal intubation or mortality within 30 days. 

Results

 The trial was stopped prematurely due to declining COVID-19 case numbers in the UK and the end of the funded recruitment period. Of the 1273 randomized patients (mean age, 57.4 [95% CI, 56.7 to 58.1] years; 66% male; 65% White race), primary outcome data were available for 1260. Crossover between interventions occurred in 17.1% of participants (15.3% in the CPAP group, 11.5% in the HFNO group, and 23.6% in the conventional oxygen therapy group). The requirement for tracheal intubation or mortality within 30 days was significantly lower with CPAP (36.3%; 137 of 377 participants) vs conventional oxygen therapy (44.4%; 158 of 356 participants) (absolute difference, −8% [95% CI, −15% to −1%],P = .03), but was not significantly different with HFNO (44.3%; 184 of 415 participants) vs conventional oxygen therapy (45.1%; 166 of 368 participants) (absolute difference, −1% [95% CI, −8% to 6%],P = .83). Adverse events occurred in 34.2% (130/380) of participants in the CPAP group, 20.6% (86/418) in the HFNO group, and 13.9% (66/475) in the conventional oxygen therapy group. 

Conclusions and Relevance

 Among patients with acute hypoxemic respiratory failure due to COVID-19, an initial strategy of CPAP significantly reduced the risk of tracheal intubation or mortality compared with conventional oxygen therapy, but there was no significant difference between an initial strategy of HFNO compared with conventional oxygen therapy. The study may have been underpowered for the comparison of HFNO vs conventional oxygen therapy, and early study termination and crossover among the groups should be considered when interpreting the findings. 

Trial Registration

 isrctn.org Identifier:ISRCTN16912075

Recent studies have shown that drug-induced spatial alteration patterns in resting state functional activity as measured using magnetic resonance imaging (MRI) are associated with the distribution of specific receptor systems targeted by respective compounds. Based on this approach, we introduce a Matlab-based toolbox (JuSpace) allowing for cross-modal correlation of MRI-based measures with positron emission tomography (PET) and single photon emission computed tomography (SPECT) derived estimates covering various receptor systems including dopaminergic, serotonergic, noradrenergic, and GABAergic (gamma-aminobutric acid) neurotransmission. We apply JuSpace to two datasets covering Parkinson's disease patients (PD) on and off levodopa and risperidone-induced changes in rsfMRI and cerebral blood flow (CBF). We correlate rsfMRI derived PD- and levodopa-induced local activity alterations with PET and SPECT maps covering the above neurotransmitter systems. Similarly, we correlate the effects of risperidone on CBF with respective maps. Consistently with the predominant neurodegeneration of dopaminergic and serotonergic system in PD, we find significant spatial associations between rsfMRI activity alterations in PD on and off levodopa and dopaminergic (D2) and serotonergic systems (5-HT1b). Consistently with its mechanism of action, risperidone induced CBF alterations were correlated with key targets of serotonergic and dopaminergic systems. The JuSpace toolbox provides an easy framework for correlation of spatial alteration patterns across different neuroimaging modalities with PET derived receptor maps. Taken together, toolbox allows for cross-modal biologically meaningful evaluation and interpretation of image-derived spatial alteration patterns.### Competing Interest StatementSH is current employee of F.Hoffmann-La Roche. JD is a former employee and currently consultant for F.Hoffmann-La Roche. All authors report no conflicts of interest with respect to the work presented in this study. RL received travel grants and/or conference speaker honoraria within the last three years from Bruker BioSpin MR, Heel, and support from Siemens Healthcare regarding clinical research using PET/MR. He is a shareholder of BM Health GmbH since 2019.

As a result of neuro-vascular coupling, the functional effects of antipsychotics in human brain have been investigated in both healthy and clinical populations using haemodynamic markers such as regional Cerebral Blood Flow (rCBF). However, the relationship between observed haemodynamic effects and the pharmacological action of these drugs has not been fully established. Here, we analysed MRI-based rCBF data from a placebo-controlled study in healthy volunteers, who received a single dose of three different D2 receptor antagonists and tested the association of the main effects of the drugs on rCBF against normative population maps of D2R protein density and gene-expression data. In particular, we correlated CBF changes after antipsychotic administration with non-displaceable binding potential (BPND) template maps of the high affinity D2-antagonist Positron Emission Tomography (PET) ligand [18F]Fallypride and brain post-mortem microarray mRNA expression data for the DRD2 gene. For all antipsychotics, rCBF changes were directly proportional to brain D2R densities and DRD2 mRNA expression measures, although PET BPND spatial profiles explained more variance as compared with mRNA profiles (PET R2 range= 0.20-0.60, mRNA PET R2 range 0.04-0.20, pairwise-comparisons all p<0.05). In addition, the spatial coupling between ∆CBF and D2R profiles varied between the different antipsychotics tested, possibly reflecting differential affinities. Overall, these results indicate that the functional effects of antipsychotics as measured with rCBF are tightly correlated with the distribution of their target receptors in striatal and extra-striatal regions. Our results further demonstrate the link between neurotransmitter targets and haemodynamic changes reinforcing rCBF as a robust in-vivo marker of drug effects. This work is important in bridging the gap between pharmacokinetic and pharmacodynamics of novel and existing compounds.

Application of metabolic magnetic resonance imaging measures such as cerebral blood flow in translational medicine is limited by the unknown link of observed alterations to specific neurophysiological processes. In particular, the sensitivity of cerebral blood flow to activity changes in specific neurotransmitter systems remains unclear. We address this question by probing cerebral blood flow in healthy volunteers using seven established drugs with known dopaminergic, serotonergic, glutamatergic and GABAergic mechanisms of action. We use a novel framework aimed at disentangling the observed effects to contribution from underlying neurotransmitter systems. We find for all evaluated compounds a reliable spatial link of respective cerebral blood flow changes with underlying neurotransmitter receptor densities corresponding to their primary mechanisms of action. The strength of these associations with receptor density is mediated by respective drug affinities. These findings suggest that cerebral blood flow is a sensitive brain-wide in-vivo assay of metabolic demands across a variety of neurotransmitter systems in humans.