Regimen hade sagt att den 22-årige Otto Warmbiers koma orsakades förra året av botulism och ett sömnmedel han tog efter rättegången.
Han har inte talat sedan han återvände till sin hemstad i Ohio.
"Hans neurologiska tillstånd kan bäst beskrivas som ett tillstånd av oemottaglig vakenhet", säger Dr Daniel Kanter.
Mr Warmbier "visar ingen förståelse för språket" och har "extensiv förlust av hjärnvävnad" som sannolikt orsakades av hjärt-lungstillestånd, sade han.
Enligt skanningar som togs efter att han anlände till Cincinnati Medical Center tidigare i veckan, finns det inga tecken på att han blev fysiskt misshandlad under sin kvarsittning, säger hans läkare.
Mr Warmbiers tillstånd är "inte vad vi normalt ser med traumatisk hjärnskada. Det är den typen vi ser med hjärt-lungstillestånd," Dr Kanter berättade reportrar.
De tror att andningsstillestånd ledde till hans tillstånd, vilket orsakas av brist på syre och blod i hjärnan.
Tidigare på torsdagen uttryckte Warmbiers far tvivel om den nordkoreanska redogörelsen för vad som orsakade studentkoma vid University of Virginia.
"Även om du tror på deras förklaring av botulism och ett sömnmedel som orsakar koma - och det gör vi inte - finns det ingen ursäkt för en civiliserad nation att ha hållit hans tillstånd hemligt och att ha förnekat honom top notch medicinsk vård."
Otto Warmbier, en ekonomistudent från University of Virginia, greps i januari 2016 när han besökte Nordkorea som turist.
Han dömdes till 15 års fängelse för att ha försökt stjäla en propagandaskylt från ett hotell.
Botulism är en typ av förgiftning som kan orsaka total kroppsförlamning, andningssvårigheter och död i vissa fall.
Det orsakas av Clostridium botulinum bakterier, men symptomen på botulism är inte från bakterierna själva.
De mikroskopiska organismerna producerar i stället ett kraftfullt gift som angriper nervsystemet och orsakar förlamning.
Det giftet kallas botulinum - som du kanske vet för dess kommersiella användning i Botox, som avlägsnar rynkor genom att paralysera ansiktsmusklerna.
Botulism är befruktad på två sätt hos vuxna - genom att äta mat förorenad med giftet, eller genom sår.
Den matburna metoden sker när bakterierna konserveras eller lagras i livsmedel på ett annat sätt som berövar dem luft (vilket är när de producerar giftet).
Detta händer sällan i modern västerländsk livsmedelsproduktion, men är vad Nordkorea hävdar hände med Mr Warmbier.
Ett team av amerikanska läkare har funnit "inga tecken på botulism" i den amerikanska studenten frigiven av Nordkorea efter mer än 15 månader i fångenskap.