Plum and posner’s diagnosis of stupor and coma fourth Edition series editor sid Gilman, md, frcp



Yüklə 9,02 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə10/73
tarix09.02.2017
ölçüsü9,02 Mb.
#8080
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   73

Central reflex hyperpnea (neurogenic

pulmonary edema)

Basis pontis damage

Pseudobulbar paralysis of voluntary control

Lower pontine tegmentum damage or

dysfunction

Apneustic breathing

Cluster breathing

Short-cycle anoxic-hypercapnic periodic

respiration

Ataxic breathing (Biot)

Medullary dysfunction

Ataxic breathing

Slow regular breathing

Loss of autonomic breathing with preserved

voluntary control

Gasping


46

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



pany coma (Table 2–2, Figure 2–3). Chapter 5

discusses respiratory responses to metabolic

disturbances. Because neurogenic and meta-

bolic influences on breathing interact exten-

sively, respiratory changes must be interpreted

cautiously if there is evidence of pulmonary

disease.

The pattern of respiration can give impor-

tant clues concerning the level of brain dam-

age. Once assured that there is adequate ex-

change of oxygen, the physician should watch

the patient spontaneously breathe. Irregulari-

ties of the respiratory pattern that provide clues

to the level of brain damage are described in

the paragraphs below.

PATHOPHYSIOLOGY

Breathing is a sensorimotor act that integrates

nervous influences arising from nearly every

level of the brain and upper spinal cord. In hu-

mans, respiration subserves two major func-

ACh

Muscarinic



Medulla

Midbrain


Spinal Cord:

NE

Xn.



IX and X Nerves

Cervical


Thoracic

Lumbar


Sacral

Cortex


Infralimbic

Cortex


Insular

Cortex


Hypothalamus

Rostral Ventrolateral

Medulla

Nucleus of the



Solitary Tract

Caudal


Ventrolateral

Medulla


Amygdala

Parabrachial Nucleus

VP Thalamus

Nucleus Ambiguus

␤1-receptor

␣1-receptor

Pons

Figure 2–3. A diagram summarizing the cardiovascular control pathways in the brain. Visceral afferent information (gray)



arrives from nerves IX and X into the nucleus of the solitary tract. This information is then distributed to the parabrachial

nucleus, which relays it to the forebrain, and to the ventrolateral medulla, where it controls cardiovascular reflexes. These

include both vagal control of heart rate (red) and medullary control (purple) of the sympathetic vasomotor control area of

the rostral ventrolateral medulla (orange), which regulates sympathetic outflow to both the heart and the blood vessels

(dark green). Forebrain areas that influence the cardiovascular system (brown) include the insular cortex (a visceral

sensory area), the infralimbic cortex (a visceral motor area), and the amygdala, which produces autonomic emotional

responses. All of these act on the hypothalamic sympathetic activating neurons (light green) in the paraventricular and

lateral hypothalamic areas to provide behavioral and emotional influence over the blood pressure and heart rate. ACh,

acetylcholine; NE, norepinephrine; VP, ventroposterior.

Examination of the Comatose Patient

47


tions: one of metabolism and the other be-

havioral. Metabolically, respiratory control is

directed principally at maintaining tissue oxy-

genation and normal acid-base balance. It is

regulated mainly by reflex neural mechanisms

located in the posterior-dorsal region of the

pons and in the medulla. Behavioral control

of breathing allows it to be integrated with

swallowing, and in humans, with verbal and

emotional communication as well as other

behaviors.

Respiratory rhythm is an intrinsic property

of the brainstem that is generated by a network

of neurons that lie in the ventrolateral medulla,

including the pre-Bo¨tzinger complex

29,30


(see

Figure 2–3). This rhythm is regulated in the

intact brain by a number of influences that

enter via the vagus and glossopharyngeal nerves.

ACh

Medulla


Midbrain

Spinal Cord:

Muscarinic

ACh


ACh

T2-T12: Intercostal Motor Neurons

C3-5: Phrenic Motor Nucleus

Hypoglossal Motor Nucleus

Nicotinic

IX and X Nerves

Cervical

Thoracic


Lumbar

Sacral


Cortex

Prefrontal

Cortex

Hypothalamus



Ventral Respiratory Group

Parabrachial Nucleus

␤2 adrenergic

NE

T2-8



Pons

Nucleus


Ambiguus

Figure 2–4. A diagram summarizing the respiratory control pathways in the brain. Afferents from the lung (pulmonary

stretch), upper airway (cough reflexes), and carotid body arrive via cranial nerves IX and X in the nucleus of the solitary tract

(gray), also called the dorsal respiratory group. These control airway and respiratory reflexes, analogous to the cardiovas-

cular system, by inputs to the ventrolateral medulla. These include outputs to the airways via the vagus nerve (red) and

outputs from the ventral respiratory group (orange) to the spinal cord, controlling sympathetic airway responses (green)

and respiratory motor (phrenic motor nucleus, blue) and accessory motor (hypoglossal and intercostal, blue) outputs. The

ventral respiratory group is responsible for generating respiratory rhythm. However, it is assisted in this process by the

parabrachial nucleus (or pontine respiratory group, purple), which receives ascending respiratory afferents and integrates

them with other brainstem reflexes (e.g., swallowing). The prefrontal cortex (brown) provides behavioral regulation of

breathing, producing a continual breathing rhythm even in the absence of metabolic need. This influences the hypothal-

amus (light green), which may vary respiratory pattern in coordination with behavior or emotion. ACh, acetylcholine; NE,

norepinephrine.

48

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



The carotid sinus branch of the glossopharyn-

geal nerve brings afferents that carry informa-

tion about blood oxygen and carbon dioxide

content, whereas the vagus nerve conveys pul-

monary stretch afferents. These terminate in

the commissural, ventrolateral, intermediate,

and interstitial components of the nucleus of

the solitary tract.

31–33

Chemoreceptor affer-



ents can increase respiratory rate and depth,

whereas pulmonary stretch receptors tend to

inhibit lung inflation (the Herring-Breuer re-

flex). These influences are relayed to reticular

areas in the ventrolateral medulla that regulate

the onset of inspiration and expiration.

34

In

addition, serotoninergic neurons in the ventral



medulla may also serve as chemoreceptors and

directly influence the nearby circuitry that gen-

erates the respiratory rhythm.

35,36


The medullary circuitry that controls respira-

tion is under the control of pontine cell groups

that integrate breathing with ongoing orofacial

stimuli and behaviors.

37

Neurons in the para-



brachial nucleus primarily increase the rate

and depth of respiration, presumably in rela-

tion to emotional responses or in anticipation

of metabolic demand during various behaviors.

On the other hand, neurons located more ven-

trally in the intertrigeminal zone, between the

principal sensory and motor trigeminal nuclei,

produce apneas, which are necessary during

swallowing and in response to noxious chemi-

cal irritation of the airway (e.g., smoke or water

in the nasal passages).

38

Superimposed upon these metabolic de-



mands and basic reflexes, the forebrain can com-

mand a wide range of respiratory responses.

Respiration can be altered by emotional re-

sponse, and it increases in anticipation of met-

abolic demand during voluntary exercise, even

if the muscle that is to be contracted has been

paralyzed (i.e., as a consequence of central

command rather than metabolic reflex). The

pathways that control vocalization in humans

appear to originate in the frontal opercular cor-

tex, which provides premotor and motor inte-

gration of orofacial motor actions. However,

there is also a prefrontal contribution to the

maintenance of respiratory rhythm, even in the

absence of metabolic demand (the basis for

posthyperventilation apnea, described below).

These considerations make the recognition

of respiratory changes useful in the diagnosis of

coma (Figure 2–5).

POSTHYPERVENTILATION APNEA

If the arterial carbon dioxide tension is low-

ered by a brief period of hyperventilation, a

healthy awake subject will nevertheless con-

tinue to breathe with a normal rhythm, at least

initially,

39

albeit at reduced volume, until the



PCO

2

returns to its original level. By contrast,



subjects with diffuse metabolic impairment of

the forebrain, or bilateral structural damage to

the frontal lobes, commonly demonstrate post-

hyperventilation apnea.

40

Their respirations



stop after deep breathing has lowered the car-

bon dioxide content of the blood below its usual

resting level. Rhythmic breathing returns when

endogenous carbon dioxide production raises

the arterial level back to normal.

The demonstration of posthyperventilation

apnea requires that the patient voluntarily take

several deep breaths, so that it is useful in dif-

ferential diagnosis of lethargic or confused pa-

tients, but not in cases of stupor or coma. One

instructs the subject to take five deep breaths.

No other instructions are given. It is useful

for the examiner to place a hand on the pa-

tient’s chest, to make it easier later to detect

when breathing has restarted, and to count

the breaths. If the lungs function well, the ma-

neuver usually lowers the arterial carbon di-

oxide by 8 to 14 torr. At the end of the deep

breathing, wakeful patients without brain dam-

age show little or no apnea (less than 10 sec-

onds). However, in patients with forebrain im-

pairment, the period of apnea may last from 12

to 30 seconds. The neural substrate that pro-

duces a continuous breathing pattern even in

the absence of metabolic need is believed to

include the same frontal pathways that regu-

late behavioral alterations of breathing patterns,

as the continuous breathing pattern disappears

with sleep, bilateral frontal lobe damage, or dif-

fuse metabolic impairment of the hemispheres.

CHEYNE-STOKES RESPIRATION

Cheyne-Stokes respiration

41

is a pattern of



periodic breathing with phases of hyperpnea

alternating regularly with apnea. The depth

of respiration waxes from breath to breath in a

smooth crescendo during onset of the hyper-

pneic phase and then, once a peak is reached,

wanes in an equally smooth decrescendo until a

period of apnea, usually from 10 to 20 seconds,

Examination of the Comatose Patient

49


is reached. The hyperpneic phase usually lasts

longer than the apneic phase (Figure 2–5).

This rhythmic alternation in Cheyne-Stokes

respiration results from the interplay of normal

brainstem respiratory reflexes.

42–45


When the

medullary chemosensory circuits sense ade-

quate oxygen and carbon dioxide tension, they

reduce the rate and depth of respiration, caus-

ing a gradual rise in arterial carbon dioxide ten-

sion. There is normally a short delay of a few

seconds, representing the transit time for fresh

blood from the lungs to reach the left heart

and then the chemoreceptors in the carotid

artery and the brain. By the time the brain be-

gins increasing the rate and depth of respira-

tion, the alveolar carbon dioxide has reached

even higher levels, and so there is a gradual

ramping up of respiration as the brain sees a

rising level of carbon dioxide, despite its ad-

ditional efforts. By the time the brain begins

to see a fall in carbon dioxide tension, the levels

in the alveoli may be quite low. When blood

containing this low level of carbon dioxide

reaches the brain, respiration slows or may even

cease, thus setting off another cycle. Hence,

the periodic cycling is due to the delay (hys-

B

C

D



E

A

B



C

D

E



A

1 min


Figure 2–5. Different abnormal respiratory patterns are associated with pathologic lesions (shaded areas) at various levels

of the brain. Tracings by chest-abdomen pneumography, inspiration reads up. (A) Cheyne-Stokes respiration is seen with

metabolic encephalopathies and with lesions that impair forebrain or diencephalic function. (B) Central neurogenic

hyperventilation is most commonly seen in metabolic encephalopathies, but may rarely be seen in cases of high brainstem

tumors. (C) Apneusis, consisting of inspiratory pauses, may be seen in patients with bilateral pontine lesions. (D) Cluster

breathing and ataxic breathing are seen with lesions at the pontomedullary junction. (E) Apnea occurs when lesions en-

croach on the ventral respiratory group in the ventrolateral medulla bilaterally. (From Saper, C. Brain stem modulation of

sensation, movement, and consciousness. Chapter 45 in: Kandel, ER, Schwartz, JH, Jessel, TM. Principles of Neural Sci-

ence. 4th ed. McGraw-Hill, New York, 2000, pp. 871–909. By permission of McGraw-Hill.)

50

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



teresis) in the feedback loop between alveolar

ventilation and brain chemoreceptor sensory

responses.

The Cheyne-Stokes respiratory cycle is not

usually seen in normal individuals because the

circulatory delay between a change in alveolar

blood gases and carbon dioxide tension in the

brain is only a few seconds. Even as circulatory

delay rises with cardiovascular or pulmonary

disease, during waking the descending path-

ways that prevent posthyperventilation apnea

also ensure the persistence of respiration even

during periods of low metabolic need, thus

damping the oscillations that produce Cheyne-

Stokes respiration. However, during sleep or

with bilateral forebrain impairment, due either

to a diffuse metabolic process such as uremia,

hepatic failure, or bilateral damage such as ce-

rebral infarcts or a forebrain mass lesion with

diencephalic displacement, periodic breathing

may emerge.

43–45


In patients with heart fail-

ure, the transit time for blood from the lungs

to reach the carotid and cerebral chemorecep-

tors can become so prolonged as to produce

a Cheyne-Stokes pattern of respiration, even

in the absence of forebrain impairment. Thus,

Cheyne-Stokes respiration is mainly useful as

a sign of intact brainstem respiratory reflexes

in the patients with forebrain impairment, but

cannot be interpreted in the presence of sig-

nificant congestive heart failure.

HYPERVENTILATION IN

COMATOSE PATIENTS

Sustained hyperventilation is often seen in pa-

tients with impaired consciousness, but is usu-

ally a result of either hepatic coma or sepsis,

conditions in which circulating chemical stim-

uli cause hyperpnea, or a metabolic acidosis,

such as diabetic ketoacidosis (see Chapter 5).

Other patients have meningitis caused either

by infection or subarachnoid hemorrhage,

which stimulates chemoreceptors in the brain-

stem,

46

probably by altering CSF pH.



Some patients hyperventilate when intrin-

sic brainstem injury or subarachnoid hemor-

rhage or seizures cause neurogenic pulmonary

edema.


47

The ventilatory response is driven by

pulmonary mechanosensory and chemosensory

receptors. The pulmonary congestion lowers

both the arterial carbon dioxide and the oxygen

tension. Stimulation of pulmonary stretch re-

ceptors is apparently sufficient to cause reflex

hyperpnea, as oxygen therapy sufficient to raise

the arterial oxygen level does not always cor-

rect the overbreathing.

Another small group of patients has been

identified who have hyperventilation associ-

ated with brainstem gliomas or lymphomas.

48,49


These patients have spinal fluid that is acellu-

lar, but generally acidotic compared to arterial

pH. In others, the lumbar CSF may have a nor-

mal pH, but it is believed that the tumor causes

local lactic acidosis, which may trigger brain che-

moreceptors to cause hyperventilation (Figure

2–5).

It is theoretically possible for an irritative



lesion in the region of the parabrachial nu-

cleus or other respiratory centers to produce

hyperpnea.

37

The diagnosis of such true ‘‘cen-



tral neurogenic hyperventilation’’ requires that

with the subject breathing room air, the blood

gases show elevated arterial oxygen tension,

decreased carbon dioxide tension, and an ele-

vated pH. The cerebrospinal fluid likewise must

show an elevated pH and be acellular. The re-

spiratory changes must persist during sleep to

eliminate psychogenic hyperventilation, and

one must exclude the presence of stimulating

drugs, such as salicylates, or disorders that stim-

ulate respiration, such as hepatic failure or un-

derlying systemic infection. Cases fulfilling all

of these criteria have rarely been observed,

50,51


and none that we are aware of has come to post-

mortem examination of the brain.

APNEUSTIC BREATHING

Apneusis is a respiratory pause at full inspira-

tion. Fully developed apneustic breathing, with

each cycle including an inspiratory pause, is

rare in humans, but of considerable localizing

value. Experiments in animals indicate that ap-

neusis develops with injury to the pontine re-

spiratory nuclei described above, and experi-

ence with rare human cases would support this

view


52,53

(see Figure 2–5).

Clinically, end-inspiratory pauses of 2 to 3

seconds usually alternate with end-expiratory

pauses, and both are most frequently encoun-

tered in the setting of pontine infarction due

to basilar artery occlusion. However, apneustic

breathing may rarely be observed in metabolic

encephalopathies, including hypoglycemia, an-

oxia, or meningitis. It is sometimes observed

Examination of the Comatose Patient

51


in cases of transtentorial herniation, as the

brainstem dysfunction advances. At least one

patient with apneusis due to a brainstem in-

farct responded to buspirone, a serotonin 1A

receptor agonist.

53

ATAXIC BREATHING



Irregular, gasping respiration implies damage

to the respiratory rhythm generator at the pre-

Bo¨tzinger level of the upper medulla.

30

This



cell group can be specifically eliminated in ex-

perimental animals by the use of a toxin that

binds to neurons that express NK-1 receptors.

The resulting irregular, gasping breathing is

eerily similar to humans with bilateral rostral

medullary lesions, and it indicates that suffi-

cient neurons survive in the medullary reticu-

lar formation to drive primitive ventilatory ef-

forts, despite the loss of the neurons that cause

smooth to-and-fro respiration.

54

More complete



bilateral lesions of the ventrolateral medullary

reticular formation cause apnea, which is not

compatible with life unless the patient is artifi-

cially ventilated (Figure 2–5).

A variety of intermediate types of breathing

patterns are also seen with high medullary le-

sions. Some patients may breathe in irregular

clusters or ratchet-like breaths separated by

pauses. In other cases, particularly during in-

toxication with opiates or sedative drugs, the

breathing may slow and decline in depth grad-

ually until it fades into complete arrest.

There is a tendency in modern hospitals to

intubate and ventilate patients with structural

coma to protect the airway and permit treat-

ment of respiratory failure. If the patient fights

intubation or ventilation, paralytic drugs are

often administered. This compromises the abil-

ity of the neurologist to assess brainstem re-

flexes, and in some cases may delay diagnosis

and compromise care. Thus, it is important,

whenever possible, to delay intubation until

after the brief coma examination described

here has been completed.

SLEEP APNEA AND ONDINE’S

CURSE


Obstructive sleep apnea is a common disorder

in which the cross-section of the upper air-

way is anatomically narrow.

55,56


During sleep,

the muscles that keep the upper airway open,

including the genioglossus muscle that pulls

the tongue forward, undergo a gradual loss of

tone. This results in critical narrowing of the

airway and the increased rate of movement of

air tends to further reduce airway pressure,

resulting in sudden closure. Liable to the dis-

order are obese patients, because deposition of

fat in neck tissue reduces airway diameter;

men, because the increased ratio of the length

of the airway to its diameter predisposes to

collapse; and middle aged or older patients,

because muscle tone is more reduced during

sleep with age. However, cases may occur in

thin young adults, or even in children. Sleep

apnea typically occurs in cycles lasting a few

minutes each when the patient falls asleep,

airway tone fails and an obstructive apnea oc-

curs, blood oxygen levels fall, carbon dioxide

rises, and the patient is aroused sufficiently to


Yüklə 9,02 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   ...   73




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin