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

nia or severe depression, because they can be

aroused by vigorous stimulation to respond to

simple stimuli.

Coma, from the Greek ‘‘deep sleep or

trance,’’ is a state of unresponsiveness in which

the patient lies with eyes closed and cannot be

aroused to respond appropriately to stimuli

even with vigorous stimulation. The patient may

grimace in response to painful stimuli and limbs

may demonstrate stereotyped withdrawal re-

sponses, but the patient does not make local-

izingresponsesordiscretedefensivemovements.

As coma deepens, the responsiveness of the

patient, even to painful stimuli, may diminish or

disappear. However, it is difficult to equate the

lack of motor responses to the depth of the coma,

as the neural structures that regulate motor re-

sponses differ from those that regulate con-

sciousness, and they may be differentially im-

paired by specific brain disorders.

The locked-in syndrome describes a state in

which the patient is de-efferented, resulting in

paralysis of all four limbs and the lower cranial

nerves. This condition has been recognized at

least as far back as the 19th century, but its dis-

tinctive name was applied in the first edition of

this monograph (1966), reflecting the implica-

tions of this condition for the diagnosis of coma

and for the specialized care such patients re-

quire. Although not unconscious, locked-in pa-

tients are unable to respond to most stimuli. A

high level of clinical suspicion is required on

the part of the examiner to distinguish a locked-

in patient from one who is comatose. The most

common cause is a lesion of the base and teg-

mentum of the midpons that interrupts des-

cending cortical control of motor functions.

Such patients usually retain control of vertical

eye movements and eyelid opening, which can

be used to verify their responsiveness. They

may be taught to respond to the examiner by

using eye blinks as a code. Rare patients with

subacute motor neuropathy, such as Guillain-

Barre´ syndrome, also may become completely

de-efferented, but there is a history of sub-

acute paralysis. In both instances, electro-

encephalographic (EEG) examination discloses

a reactive posterior alpha rhythm

10

(see EEG

section, page 82).

It is important to identify locked-in patients

so that they may be treated appropriately by

the medical and nursing staff. At the bedside,

discussion should be with the patient, not, as

with an unconscious individual, about the pa-

tient. Patients with large midpontine lesions of-

ten are awake most of the time, with greatly

diminished sleep on physiologic recordings.

11

They may suffer greatly if they are treated by

hospital staff as if they are nonresponsive.

As the above definitions imply, each of these

conditions includes a fairly wide range of be-

havioral responsiveness, and there may be some

overlap among them. Therefore, it is generally

best to describe a patient by indicating what

stimuli do or do not result in responses and the

kinds of responses that are seen, rather than

using less precise terms.

Subacute or Chronic Alterations

of Consciousness

Dementia defines an enduring and often pro-

gressive decline in mental processes owing to

an organic process not usually accompanied

by a reduction in arousal. Conventionally, the

term implies a diffuse or disseminated reduc-

tion in cognitive functions rather than the im-

pairment of a single psychologic activity such

as language. DSM-IV defines dementia as fol-

lows: ‘‘A. The development of multiple cogni-

tive defects manifested by both: (1) Memory

impairment (impaired ability to learn new in-

formation or to recall previously learned infor-

mation); (2) One (or more) of the following

cognitive disturbances: aphasia (language dis-

turbance), apraxia (impaired ability to carry out

motor activities despite intact motor function),

agnosia (failure to recognize or identify objects

despite intact sensory function), disturbance in

executive function (i.e., planning, organization,

sequencing, abstracting).’’

The reader will recognize this definition as

an arbitrary restriction. Usually, the term de-

mentia is applied to the effects of primary dis-

orders of the cerebral hemispheres, such as

degenerative conditions, traumatic injuries,

and neoplasms. Occasionally, dementia can be

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

7

at least partially reversible, such as when it ac-

companies thyroid or vitamin B

12

deficiency

or results from a reversible communicating hy-

drocephalus; more often, however, the term

applies to chronic conditions carrying limited

hopes for improvement.

Patients with dementia are usually awake

and alert, but as the dementia worsens, may

become less responsive and eventually evolve

into a vegetative state (see below). Patients with

dementia are at significantly increased risk of

developing delirium when they become medi-

cally ill or develop comorbid brain disease.

Hypersomnia refers to a state characterized

by excessive but normal-appearing sleep from

which the subject readily, even if briefly, awak-

ens when stimulated. Many patients with either

acute or chronic alterations of consciousness

sleep excessively. However, when awakened,

consciousness is clearly clouded. In the truly

hypersomniac patient, sleep appears normal

and cognitive functions are normal when pa-

tients are awakened. Hypersomnia results from

hypothalamic dysfunction, as indicated later in

this chapter.

12

Abulia (from the Greek for ‘‘lack of will’’) is

an apathetic state in which the patient responds

slowly if at all to verbal stimuli and generally

does not initiate conversation or activity. When

sufficiently stimulated, however, cognitive func-

tions may be normal. Unlike hypersomnia, the

patient usually appears fully awake. Abulia is

usually associated with bilateral frontal lobe dis-

ease and, when severe, may evolve into akinetic

mutism.

Akinetic mutism describes a condition of

silent, alert-appearing immobility that charac-

terizes certain subacute or chronic states of

altered consciousness in which sleep-wake cy-

cles have returned, but externally obtainable

evidence for mental activity remains almost en-

tirely absent and spontaneous motor activity is

lacking. Such patients generally have lesions

including the hypothalamus and adjacent basal

forebrain.

The minimally conscious state (MCS) is a con-

cept that was recently developed by the Aspen

Workgroup, a consortium of neurologists, neu-

rosurgeons, neuropsychologists, and rehabilita-

tion specialists.

13

MCS identifies a condition of

severely impaired consciousness in which mini-

mal but definite behavioral evidence of self

(this can only be assessed verbally, of course)

or environmental awareness is demonstrated.

Like the vegetative state, MCS often exists as

a transitional state arising during recovery from

coma or worsening of progressive neurologic

disease. In some patients, however, it may be

an essentially permanent condition. For a de-

tailed discussion of the clinical criteria for the

diagnosis of the minimally conscious state, see

Chapter 9.

The vegetative state (VS) denotes the recov-

ery of crude cycling of arousal states heralded

by the appearance of ‘‘eyes-open’’ periods in

an unresponsive patient. Very few surviving pa-

tients with severe forebrain damage remain in

eyes-closed coma for more than 10 to 30 days.

In most patients, vegetative behavior usually

replaces coma by that time. Patients in the veg-

etative state, like comatose patients, show no evi-

dence of awareness of self or their environment.

Unlike brain death, in which the cerebral hemi-

spheres and the brainstem both undergo over-

whelming functional impairment, patients in

vegetative states retain brainstem regulation of

cardiopulmonary function and visceral autono-

mic regulation. Although the original term per-

sistent vegetative state (PVS) was not associated

with a specific time, the use of PVS is now com-

monly reserved for patients remaining in a veg-

etative state for at least 30 days. The American

Neurological Association advises that PVS be

applied only to patients in the state for 1 month.

Some patients recover from PVS (see Chapter

9). Other terms in the literature designating the

vegetative state include coma vigil and the apa-

llic state.

Brain death is defined as the irreversible

loss of all functions of the entire brain,

14

such

that the body is unable to maintain respiratory

and cardiovascular homeostasis. Although vig-

orous supportive care may keep the body pro-

cesses going for some time, particularly in an

Table 1–2 Terms Used to Describe

Disorders of Consciousness

Acute

Subacute or Chronic

Clouding

Dementia

Delirium

Hypersomnia

Obtundation

Abulic

Stupor

Akinetic mutism

Coma

Minimal consciousness

Locked in (not coma;

see text)

Vegetative

Brain death

8

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

otherwise healthy young person, the loss of

brain function eventually results in failure of the

systemic circulation within a few days or, rarely,

after several weeks. That the brain has been

dead for some time prior to the cessation of the

heartbeat is attested to by the fact that the or-

gan in such cases is usually autolyzed (respirator

brain) when examined postmortem.

15

Because

function of the cerebral hemispheres depends

on the brainstem (see ascending arousal system

section below), and because cerebral hemi-

sphere function is extremely difficult to assess

when the brainstem is nonfunctioning, physi-

cians in the United Kingdom have developed

the concept of brainstem death,

16

defined as

‘‘irreversible loss of the capacity for conscious-

ness, combined with irreversible loss of the

capacity to breathe.’’ The criteria for the diag-

nosis of brain death and brainstem death are al-

most identical. They are detailed in Chapter 8.

Acute alterations of consciousness are dis-

cussed in Chapters 2 through 5. Subacute and

chronic alterations of consciousness are discus-

sed in Chapter 9.

APPROACH TO THE DIAGNOSIS

OF THE COMATOSE PATIENT

Determining the cause of an acutely depressed

level of consciousness is a difficult clinical

challenge. The clinician must determine rapidly

whether the cause of the impairment is struc-

tural or metabolic, and what treatments must

be instituted to save the life of the patient. Since

the last edition of this monograph in 1980,

there has been a revolution in brain imaging.

Computed tomography (CT) scans and some-

times magnetic resonance imaging (MRI) are

immediately available in the emergency room

to evaluate acutely ill patients. In appropriate

clinical circumstances, if the initial examina-

tion suggests structural brain damage, a scan

may identify the cause of the alteration of con-

sciousness and dictate the therapy. However,

when the scan does not give the cause, there is

no simple solution; usually no single laboratory

test or screening procedure will sift out the

critical initial diagnostic categories as effectively

as a careful clinical evaluation.

If the cause of coma is structural, it generally

is due to a focal injury along the course of the

neural pathways that generate and maintain a

normal waking brain. Therefore, the clinical

diagnosis of structural coma depends on the

recognition of the signs of injury to structures

that accompany the arousal pathways through

the brain. Structural processes that impair the

function of the arousal system fall into two ca-

tegories: (1) supratentorial mass lesions, which

may compress deep diencephalic structures and

hence impair the function of both hemispheres,

and (2) infratentorial mass or destructive le-

sions, which directly damage the arousal system

at its source in the upper brainstem. The re-

mainder of Chapter 1 will systematically exam-

ine the major arousal systems in the brain and

the physiology and pathophysiology of consci-

ousness. Chapter 2 addresses examination of the

patient with a disturbance of consciousness, par-

ticularly those components of the examination

that assay the function of the arousal systems

and the major sensory, motor, and autonomic

systems that accompany them. Once the exam-

ination is completed, the examiner should be

able to determine whether the source of the

impairment of consciousness is caused by a

structural lesion (Chapters 3 and 4) or a diffuse

and therefore presumably metabolic process

(Chapter 5).

Although it is important to question family

members or attendants who may have details of

the history, including emergency medical per-

sonnel who bring the patient into the emergency

department, the history for comatose patients

is often scant or absent. The neurologic exam-

ination of a patient with impaired conscious-

ness, fortunately, is brief, because the patient

cannot detect sensory stimuli or provide vol-

untary motor responses. The key components

of the examination, which can be completed by

a skillful physician in just a few minutes, in-

clude (1) the level of consciousness of the pa-

tient, (2) the pattern of breathing, (3) the size

and reactivity of the pupils, (4) the eye move-

ments and oculovestibular responses, and (5)

the skeletal motor responses. From this infor-

mation, the examiner must be able to recon-

struct the type of the lesion and move swiftly

to lifesaving measures. Before reviewing the

components of the coma examination in detail,

however, it is necessary to understand the ba-

sic pathways in the brain that sustain wakeful,

conscious behavior. Only from this perspective

is it possible to understand how the compo-

nents of the coma examination test pathways

that are intertwined with those that maintain

consciousness.

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

9

Box 1–1 Constantin von Economo and the Discovery of

Intrinsic Wake and Sleep Systems in the Brain

Baron Constantin von Economo von San Serff was born in 1876, the son of Greek

parentage. He was brought up in Austrian Trieste, studied medicine in Vienna,

and in 1906 took a post in the Psychiatric Clinic under Professor Julius von

Wagner-Jauregg. In 1916 during World War I, he began seeing cases of a new and

previously unrecorded type of encephalitis and published his first report of this

illness in 1917. Although subsequent accounts have often confused this illness

with the epidemic of influenza that swept through Europe and then the rest of the

world during World War I, von Economo was quite clear that encephalitis le-

thargica was not associated with respiratory symptoms, and that its appearance

preceded the onset of the latter epidemic. Von Economo continued to write and

lecture about this experience for the remainder of his life, until his premature

death in 1931 from heart disease.

Based on his clinical observations, von Economo proposed a dual center the-

ory for regulation of sleep and wakefulness: a waking influence arising from the

upper brainstem and passing through the gray matter surrounding the cerebral

aqueduct and the posterior third ventricle; and a rostral hypothalamic sleep-

promoting area. These observations became the basis for lesion studies done by

Ranson in 1939,

20

by Nauta in 1946,

21

and by Swett and Hobson in 1968,

22

in

which they showed that the posterior lateral hypothalamic lesions in monkeys,

rats, and cats could reproduce the prolonged sleepiness that von Economo had

observed. The rostral hypothalamic sleep-promoting area was confirmed exper-

imentally in rats by Nauta in 1946

21

and in cats by Sterman and Clemente in the

1960s.

23

Interestingly, von Economo also identified a third clinical syndrome, which

appeared some months after the acute encephalitis in some patients who had

Figure B1–1A. A photograph of Baron Constantin von Economo, and excerpts from the title

page of his lecture on the localization of sleep and wake promoting systems in the brain. (From von

Economo,

19

with permission.)

(continued)

10

PHYSIOLOGY AND

PATHOPHYSIOLOGY OF

CONSCIOUSNESS AND COMA

The Ascending Arousal System

In the late 19th century, the great British neu-

rologist John Hughlings-Jackson

17

proposed that

consciousness was the sum total of the activity

in human cerebral hemispheres. A corollary was

that consciousness could only be eliminated by

lesions that simultaneously damaged both cere-

bral hemispheres. However, several clinical ob-

servations challenged this view. As early as 1890,

Mauthner

18

reported that stupor in patients

with Wernicke’s encephalopathy was associated

with lesions involving the gray matter surround-

ing the cerebral aqueduct and the caudal part of

posterior hypothalamic lesions, as they were beginning to recover. These indi-

viduals would develop episodes of sleep attacks during which they had an over-

whelming need to sleep. He noted that they also had attacks of cataplexy in which

they lost all muscle tone, often when excited emotionally. Von Economo noted

accurately that these symptoms were similar to the rare condition previously

identified by Gelinaux as narcolepsy. S.A. Kinnier Wilson described a cohort of

similar patients in London in 1928.

24

He also noted that they had developed

symptoms of narcolepsy after recovering from encephalitis lethargica with pos-

terior hypothalamic lesions. Wilson even described examining a patient in his

office, with the young house officer McDonald Critchley, and that the patient

indeed had atonic paralysis, with loss of tendon reflexes and an extensor plantar

response during the attack.

Von Economo’s theory was highly influential during this period, and a great

deal of what was subsequently learned about the organization of brain systems

controlling sleep and wakefulness owes its origins to his careful clinicopath-

ologic observations and his imaginative and far-reaching vision about brain

organization.

Figure B1–1B. Von Economo’s original drawing of the localization of the lesions in the brain that

caused excessive sleepiness and insomnia. (Modified from von Economo,

19

with permission.)

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

11

the third ventricle. The nascent field of neuro-

surgery also began to contribute cases in which

loss of consciousness was associated with lesions

confined to the upper brainstem or caudal di-

encephalon. However, the most convincing

body of evidence was assembled by Baron Con-

stantin von Economo,

19

a Viennese neurologist

who recorded his observations during an epide-

mic of a unique disorder, encephalitis lethargica,

that occurred in the years surrounding World

War I. Most victims of encephalitis lethargica

were very sleepy, spending 20 or more hours

per day asleep, and awakening only briefly to

eat. When awakened, they could interact in a

relatively unimpaired fashion with the examiner,

but soon fell asleep if not continuously stimu-

lated. Many of these patients suffered from

oculomotor abnormalities, and when they died,

they were found to have lesions involving the

paramedian reticular formation of the midbrain

at the junction with the diencephalon. Other

patients during the same epidemic developed

prolonged wakefulness, sleeping at most a few

hours per day. Movement disorders were also

common. Von Economo identified the causa-

tive lesion in the gray matter surrounding the

anterior part of the third ventricle in the hypo-

thalamus and extending laterally into the basal

ganglia at that level.

Von Economo suggested that there was spe-

cific brainstem circuitry that causes arousal or

wakefulness of the forebrain, and that the hy-

pothalamus contains circuitry for inhibiting this

system to induce sleep. However, it was difficult

to test these deductions because naturally oc-

curring lesions in patients, or experimental

lesions in animals that damaged the brainstem,

almost invariably destroyed important sensory

and motor pathways that complicated the inter-

pretation of the results. As long as the only tool

for assessing activity of the cerebral hemispheres

remained the clinical examination, this problem

could not be resolved.

In 1929, Hans Berger, a Swiss psychiatrist,

reported a technologic innovation, the electro-

encephalogram (EEG), which he developed to

assess the cortical function of his psychiatric

patients with various types of functional impair-

ment of responsiveness.

25

He noted that the

waveform pattern that he recorded from the

scalps of his patients was generally sinusoidal,

and that the amplitude and frequency of the

waves in the EEG correlated closely with the