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

nerves cross the posterior cerebral artery and

run along the posterior communicating artery

to penetrate through the dural edge at the

petroclinoid ligament and enter the cavernous

sinus. Along this course, the oculomotor nerves

run along the medial edge of the temporal lobe

(Figure 3–5). The uncus, which represents the

bulging medial surface of the amygdala within

the medial temporal lobe, usually sits over the

tentorial opening, and its medial surface may

even be grooved by the tentorium.

A key relationship in the pathophysiology of

supratentorial mass lesions is the close prox-

imity of the oculomotor nerve to the posterior

Box 3–1 Historical View of the Pathophysiology

of Brain Herniation

In the 19th century, many neurologists thought that supratentorial lesions caused

stupor or coma by impairing function of the cortical mantle, although the mecha-

nism was not understood. Cushing proposed that the increase in ICP caused im-

pairment of blood flow, especially to the medulla.

27

He was able to show that

translation of pressure waves from the supratentorial compartments to the lower

brainstem may occur in experimental animals. Similarly, in young children, a supra-

tentorial pressure wave may compress the medulla, causing an increase in blood

pressure and fall in heart rate (the Cushing reflex). Such responses are rare in

adults, who almost always show symptoms of more rostral brainstem failure before

developing symptoms of lower brainstem dysfunction.

The role of temporal lobe herniation through the tentorial notch was appreciated

by MacEwen in the 1880s, who froze and then serially cut sections through the

heads of patients who died from temporal lobe abscesses.

28

His careful descriptions

demonstrated that the displaced medial surface of the temporal uncus compressed

the oculomotor nerve, causing a dilated pupil. In the 1920s, Meyer

29

pointed out the

importance of temporal lobe herniation into the tentorial gap in patients with brain

tumors; Kernohan and Woltman

30

demonstrated the lateral compression of the

brainstem produced by this process. They noted that lateral shift of the midbrain

compressed the cerebral peduncle on the side opposite the tumor against the oppo-

site tentorial edge, resulting in ipsilateral hemiparesis. In the following decade, the

major features of the syndrome of temporal lobe herniation were clarified, and the

role of the tentorial pressure cone was widely appreciated as a cause of symptoms in

patients with coma.

More recently, the role of lateral displacement of the diencephalon and upper

brainstem versus downward displacement of the same structures in causing coma

has received considerable attention.

31,32

Careful studies of the displacement of

midline structures, such as the pineal gland, in patients with coma due to forebrain

mass lesions demonstrate that the symptoms are due to distortion of the structures

at the mesodiencephalic junction, with the rate of displacement being more im-

portant than the absolute value or direction of the movement.

Structural Causes of Stupor and Coma

97

Figure 3–3. The intracranial compartments are separated by tough dural leaflets. (A) The falx cerebri separates the two

cerebral hemispheres into separate compartments. Excess mass in one compartment can lead to herniation of the cingulate

gyrus under the falx. (From Williams, PL, and Warwick, R. Functional Neuroanatomy of Man. WB Saunders, Philadelphia,

1975, p. 986. By permission of Elsevier B.V.) (B) The midbrain occupies most of the tentorial opening, which separates the

supratentorial from the infratentorial (posterior fossa) space. Note the vulnerability of the oculomotor nerve to both her-

niation of the medial temporal lobe and aneurysm of the posterior communicating artery.

98

communicating artery (Figure 3–4) and the me-

dial temporal lobe (Figure 3–5). Compression

of the oculomotor nerve by either of these struc-

tures results in early injury to the pupillodilator

fibers that run along its dorsal surface

37

; hence,

a unilateral dilated pupil frequently heralds a

neurologic catastrophe.

The other ocular motor nerves are generally

not involved in early transtentorial herniation.

The trochlear nerves emerge from the dorsal

surface of the midbrain just caudal to the inferior

colliculi. These slender fiber bundles wrap

around the lateral surface of the midbrain and

follow the third nerve through the petroclinoid

ligament into the cavernous sinus. Because the

free edge of the tentorium sits over the posterior

edge of the inferior colliculi, severe trauma that

displaces the brainstem back into the unyielding

edge of the tentorium may result in hemor-

rhage into the superior cerebellar peduncles and

the surrounding parabrachial nuclei.

38,39

The

trochlear nerves may also be injured in this way.

40

Figure 3–4. The basilar artery is tethered at the top to the posterior cerebral arteries, and at its lower end to the vertebral

arteries. As a result, either upward or downward herniation of the brainstem puts at stretch the paramedian feeding vessels

that leave the basilar at a right angle and supply the paramedian midbrain and pons. The posterior cerebral arteries can be

compressed by the medial temporal lobes when they herniate through the tentorial notch. (From Netter, FH. The CIBA Col-

lection of Medical Illustrations. CIBA Pharmaceuticals, New Jersey, 1983, p. 46. By permission of CIBA Pharmaceuticals.)

Structural Causes of Stupor and Coma

99

The abducens nerves emerge from the ven-

tral surface of the pons and run along the ven-

tral surface of the midbrain to enter the cavern-

ous sinus as well. Abducens paralysis is often a

nonspecific sign of increased

41

or decreased

42

(e.g., after a lumbar puncture or CSF leak) ICP.

However, the abducens nerves are rarely dam-

aged by supratentorial or infratentorial mass le-

sions unless they invade the cavernous sinus or

displace the entire brainstem downward.

The foramen magnum, at the lower end of

the posterior fossa, is the only means by which

brain tissue may exit from the skull. Hence,

just as progressive enlargement of a supraten-

torial mass lesion inevitably results in hernia-

tion through the tentorial opening, continued

downward displacement either from an ex-

panding supratentorial or infratentorial mass

lesion ultimately causes herniation of the cere-

bellum and the brainstem through the fora-

men magnum.

43

Here the medulla, the cere-

bellar tonsils, and the vertebral arteries are

juxtaposed. Usually, a small portion of

the cerebellar tonsils protrudes into the aper-

ture (and may even be grooved by the poste-

rior lip of the foramen magnum). However,

when the cerebellar tonsils are compressed

against the foramen magnum during tonsillar

herniation, compression of the tissue may

compromise its blood supply, causing tissue

infarction and further swelling.

Patterns of Brain Shifts That

Contribute to Coma

There are seven major patterns of brain shift:

falcine herniation, lateral displacement of the

diencephalon, uncal herniation, central trans-

tentorial herniation, rostrocaudal brainstem de-

terioration, tonsillar herniation, and upward

brainstem herniation. The first five patterns are

caused by supratentorial mass lesions, whereas

tonsillar herniation and upward brainstem her-

niation usually result from infratentorial mass

lesions, as described below.

Falcine herniation occurs when an expanding

lesion presses the cerebral hemisphere medially

against the falx (Figure 3–2A). The cingulate

gyrus and the pericallosal and callosomarginal

arteries are compressed against the falx and may

be displaced under it. The compression of the

pericallosal and callosomarginal arteries causes

ischemia in the medial wall of the cerebral hemi-

sphere that swells and further increases the com-

pression. Eventually, the ischemia may advance

to frank infarction, which increases the cerebral

mass effect further.

44

Lateral displacement of the diencephalon oc-

curs when an expanding mass lesion, such as

a basal ganglionic hemorrhage, pushes the di-

encephalon laterally (Figure 3–2B). This pro-

cess may be monitored by displacement of the

calcified pineal gland, whose position with re-

spect to the midline is easily seen on plain CT

scanning.

45

This lateral displacement is roughly

correlated with the degree of impairment of con-

sciousness: 0 to 3 mm is associated with alert-

ness, 3 to 5 mm with drowsiness, 6 to 8 mm with

stupor, and 9 to 13 mm with coma.

1

Uncal herniation occurs when an expanding

mass lesion usually located laterally in one ce-

rebral hemisphere forces the medial edge of the

temporal lobe to herniate medially and down-

ward over the free tentorial edge into the ten-

torial notch (Figure 3–2). In contrast to central

Figure 3–5. Relationship of the oculomotor nerve to the

medial temporal lobe. Note that the course of the oculo-

motor nerve takes it along the medial aspect of the temporal

lobe where uncal herniation can compress its dorsal surface.

(From Williams, PL, and Warwick, R. Functional Neuroan-

atomy of Man. WB Saunders, Philadelphia, 1975, p. 929.

By permission of Elsevier B.V.)

100

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

herniation, in which the first signs are mainly

those of diencephalic dysfunction, in uncal her-

niation the most prominent signs are due to

pressure of the herniating temporal lobe on the

structures that occupy the tentorial notch.

The key sign associated with uncal herniation

is an ipsilateral fixed and dilated pupil due to

compression of the dorsal surface of the ocu-

lomotor nerve. There is usually also evidence

of some impairment of ocular motility by this

stage, but it may be less apparent to the exam-

iner as the patient may not be sufficiently awake

either to complain about it or to follow com-

mands on examination (i.e., to look to the side

or up or down), and some degree of exophoria is

present in most people when they are not com-

pletely awake. However, examining oculocepha-

lic responses by rotating the head usually will

disclose eye movement problems associated

with third nerve compression.

A second key feature of uncal herniation

that is sufficient to cause pupillary dilation is

impaired level of consciousness. This may be

due to the distortion of the ascending arousal

systems as they pass through the midbrain, dis-

tortion of the adjacent diencephalon, or per-

haps stretching of blood vessels perfusing the

midbrain, thus causing parenchymal ischemia.

Nevertheless, the impairment of arousal is so

prominent a sign that in a patient with a uni-

lateral fixed and dilated pupil and normal level

of consciousness, the examiner must look for

another cause of pupillodilation. Pupillary di-

lation from uncal herniation with a preserved

level of consciousness is rare enough to be the

subject of case reports.

46

Hemiparesis may also occur due to com-

pression of the cerebral peduncle by the uncus.

The paresis may be contralateral to the herni-

ation (if the advancing uncus impinges upon the

adjacent cerebral peduncle) or ipsilateral (if the

uncus pushes the midbrain so that the opposite

cerebral peduncle is compressed against the

incisural edge of Kernohan’s notch,

47

but see

48

). Hence, the side of paresis is not helpful in

localizing the lesion, but the side of the en-

larged pupil accurately identifies the side of the

herniation over 90% of the time.

49

An additional problem in many patients with

uncal herniation is compression of the posterior

cerebral artery in the tentorial notch, which may

give rise to infarction in the territory of its dis-

tribution.

50

Often this is overlooked at the time

of the herniation, when the impairment of con-

sciousness may make it impossible to test visual

fields, but emerges as a concern after the crisis is

past when the patient is unable to see on the

side of space opposite the herniation. Bilateral

compression of the posterior cerebral arteries re-

sults in bilateral visual field infarction and corti-

cal blindness (see Patient 3–1, Figure 3–6).

51

Patient 3–1

A 30-year-old woman in the seventh month of preg-

nancy began to develop right frontal headaches.

The headaches became more severe, and toward

the end of the eighth month she sought medical

assistance. An MRI revealed a large right frontal

mass. Her physicians planned to admit her to hos-

pital, perform an elective cesarean section, and

then operate on the tumor. She was admitted to

the hospital the day before the surgery. During the

night she complained of a more severe headache

and rapidly became lethargic and then stuporous.

An emergency CT scan disclosed hemorrhage into

the tumor and transtentorial herniation, and at

craniotomy a right frontal hemorrhagic oligoden-

droglioma was removed, and she rapidly recov-

ered consciousness. Upon awakening she com-

plained that she was unable to see. Examination

revealed complete loss of vision including ability

to appreciate light but with retained pupillary light

reflexes. Repeat MRI scan showed an evolving

infarct involving the occipital lobes bilaterally (see

Figure 3–6). Over the following week she gradu-

ally regained some central vision, after which it

became clear that she had severe prosopagnosia

(difficulty recognizing faces).

52

Many months after

recovery of vision she was able to get around and

read, but she was unable to recognize her own

face in the mirror and could only distinguish be-

tween her husband and her brother by the fact that

her brother was taller.

Central transtentorial herniation is due to

pressure from an expanding mass lesion on the

diencephalon. If the mass effect is medially

located, the displacement may be primarily

downward, in turn pressing downward on the

midbrain, although the mass may also have a

substantial lateral component shifting the dien-

cephalon in the lateral direction.

31

The dien-

cephalon is mainly supplied by small penetrat-

ing endarteries that arise directly from the

Structural Causes of Stupor and Coma

101

vessels of the circle of Willis. Hence, even

small degrees of displacement may stretch and

compress important feeding vessels and re-

duce blood flow. In addition to accounting for

the pathogenesis of coma (due to impairment

of the ascending arousal system at the dience-

phalic level), the ischemia causes local swelling

and eventually infarction, which causes further

edema, thus contributing to gradually progres-

sive displacement of the diencephalon. In se-

vere cases, the pituitary stalk may even become

partially avulsed, causing diabetes insipidus,

and the diencephalon may buckle against the

midbrain. The earliest and most subtle signs

of impending central herniation tend to begin

with compression of the diencephalon.

Less commonly, the midbrain may be forced

downward through the tentorial opening by a

mass lesion impinging upon it from the dorsal

surface. Pressure from this direction produces

the characteristic dorsal midbrain or Parinaud’s

syndrome (loss of upgaze and convergence, re-

tractory nystagmus; see below).

Rostrocaudal deterioration of the brainstem

may occur when the distortion of the brainstem

compromises its vascular supply. Downward

displacement of the midbrain or pons stretches

the medial perforating branches of the basi-

lar artery, which itself is tethered to the circle

of Willis and cannot shift downward (Figure

3–4). Paramedian ischemia may contribute to

loss of consciousness, and postmortem injec-

tion of the basilar artery demonstrates that the

paramedian arteries are at risk of necrosis and

extravasation. The characteristic slit-like hem-

orrhages seen in the area of brainstem dis-

placement postmortem are called Duret hem-

orrhages

53

(Figure 3–7). Such hemorrhages

can be replicated experimentally in animals.

54

It is also possible for the venous drainage of the

brainstem to be compromised by compression

of the great vein of Galen, which runs along the

midline on the dorsal surface of the midbrain.

However, in postmortem series, venous infarc-

tion is a rare contributor to brainstem injury.

55

Tonsillar herniation occurs in cases in which

the pressure gradient across the foramen mag-

num impacts the cerebellar tonsils against the

foramen magnum, closing off the fourth ven-

tricular outflow and compressing the medulla

(Figures 3–7 and 3–8). This may occur quite

suddenly, as in cases of subarachnoid hemor-

rhage, when a large pressure wave drives the

cerebellar tonsils against the foramen magnum,

compressing the caudal medulla. The patient

suddenly stops breathing, and blood pressure

rapidly increases as the vascular reflex pathways

in the lower brainstem attempt to perfuse the

lower medulla against the intense local pressure.

A similar syndrome is sometimes seen when

lumbar puncture is performed on a patient

whose intracranial mass lesion has exhausted

the intracranial compliance.

56

In patients with

sustained tonsillar herniation, the cerebellar

tonsils are typically found to be necrotic due to

their impaction against the unyielding edge

of the foramen magnum. This problem is dis-

cussed further below.

Upward brainstem herniation may also occur

through the tentorial notch in the presence of

a rapidly expanding posterior fossa lesion.

3

The

superior surface of the cerebellar vermis and

the midbrain are pushed upward, compressing

the dorsal mesencephalon as well as the adja-

cent blood vessels and the cerebral aqueduct

(Figure 3–8).

The dorsal midbrain compression results in

impairment of vertical eye movements as well as

consciousness. The pineal gland is typically

Figure 3–6. Bilateral occipital infarction in Patient 3–1.

Hemorrhage into a large frontal lobe tumor caused trans-

tentorial herniation, compressing both posterior cerebral

arteries. The patient underwent emergency craniotomy to

remove the tumor, but when she recovered from surgery

she was cortically blind.

102

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

displaced upward on CT scan.

57

The compres-

sion of the cerebral aqueduct can cause acute

hydrocephalus, and the superior cerebellar ar-

tery may be trapped against the tentorial edge,

resulting in infarction and edema of the superior

cerebellum and increasing the upward pressure.

Clinical Findings in Uncal

Herniation Syndrome

EARLY THIRD NERVE STAGE

The proximity of the dorsal surface of the ocu-

lomotor nerve to the medial edge of the tem-

poral lobe (Figure 3–5) means that the earliest

and most subtle sign of uncal herniation is of-

ten an increase in the diameter of the ipsilat-

eral pupil. The pupil may respond sluggishly

to light, and typically it dilates progressively as

the herniation continues. Early on, there may

be no other impairment of oculomotor func-

tion (i.e., no ptosis or ocular motor signs). Once

the herniation advances to the point where the

function of the brainstem is compromised, signs

of brainstem deterioration may proceed rap-

idly, and the patient may slip from full con-

sciousness to deep coma over a matter of min-

utes (Figure 3–9).

Patient 3–2

A 22-year-old woman was admitted to the emer-

gency room with the complaint of erratic behavior

‘‘since her boyfriend had hit her on the head with a

gun.’’ She was awake but behaved erratically in the

emergency room, and was sent for CT scanning

while a neurology consult was called. The neurol-

ogist found the patient in the x-ray department and

the technician noted that she had initially been

uncooperative, but for the previous 10 minutes she

had lain still while the study was completed.

Figure 3–7. Neuropathology of

herniation due to a large brain

tumor. A large, right hemisphere

brain tumor caused subfalcine

herniation (arrow in A) and

pushed the temporal lobe against

the diencephalon (arrowhead).

Herniation of the uncus caused

hemorrhage into the hippocampus

(double arrowhead). Downward

displacement of the brainstem

caused elongation of the brainstem

and midline Duret hemorrhages

(B). Downward displacement of the

cerebellum impacted the cerebellar

tonsils against the foramen mag-

num, infarcting the tonsillar tissue

(arrow in C).

Structural Causes of Stupor and Coma

103

Immediate examination on the radiology table

showed that breathing was slow and regular and

she was unresponsive except to deep pain, with

localizing movements of the right but not the left

extremities. The right pupil was 8 mm and unre-