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

Similarly, the premotor area for vertical sac-

cades and gaze holding, respectively, are found

in the rostral interstitial nucleus of the MLF

and rostral interstitial nucleus of Cajal, which

surround the oculomotor nucleus laterally. A

premotor area for vergence eye movements is

found at the rostral tip of this region, near the

midbrain-diencephalic junction. Unilateral le-

sions of the rostral interstitial nuclei typically

reduce vertical saccades as well as causing

torsional nystagmus.

99,100

Compression of the

midbrain from the tectal surface (e.g., by a pi-

neal tumor) causes loss of vertical eye move-

ments, usually beginning with upgaze.

The PPRF and rostral interstitial nuclei are

under the control of descending inputs from

the superior colliculus. Each superior collicu-

lus contains a map of the visual world on the

contralateral side of space, and electrical stim-

ulation of a specific point in this visual map will

command a saccade to the corresponding point

in space. In nonmammalian vertebrates, such as

frogs, this area is called the optic tectum and is

the principal site for directing eye movement;

in mammals, it comes largely under the control

of the cortical system for directing eye move-

ments.

The cortical descending inputs to the ocular

motor system are complex.

101

The frontal eye

fields (area 8) direct saccadic eye movements

to explore behaviorally relevant features of the

contralateral side of space. However, it would

be incorrect to think of this area as a motor

cortex. Unlike neurons in the primary motor

cortex, which fire in relation to movements of

the limbs in particular directions at particu-

lar joints, recordings from area 8 neurons in

awake, behaving monkeys indicate that they

do not fire during most random saccadic eye

movements. However, they are engaged dur-

ing tasks that require a saccade to a particular

part of space only when the saccadic eye

movement is part of a behavioral sequence that

is rewarded. In this respect, neurons in area

8 are more similar to those in areas of the

prefrontal cortex that are involved in planning

movements toward the opposite side of space.

Area 8 projects widely to both the superior

colliculus as well as the premotor areas for ver-

tical and lateral eye movements, and to the

ocular motor nuclei themselves.

102

Descend-

ing axons from area 8 mainly run through the

internal medullary lamina of the thalamus to

enter the region of the rostral interstitial nu-

cleus of the MLF. They then cross the midline

to descend along with the MLF to the con-

tralateral PPRF and abducens nucleus.

In the posterior part of the hemisphere, in

the ventrolateral cortex near the occipitopari-

etal junction, is an area of visual cortex, some-

times called area V5 or area MT, that is im-

portant in judging movement of objects in

contralateral space.

101,103

Cortex in this region

plays a critical role in following movements

originating in that space, including movements

62

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

toward the ipsilateral space. Thus, following

an object that travels from the left to the right

engages the right parietal cortex (area 7) to fix

attention on the object, the right area 8 to

produce a saccade to pick it up, the right oc-

cipital cortex to follow the object to the right,

and ultimately the left occipital cortex as well

to see the object as it enters the right side of

space. Thus, following moving stripes to the

right, as in testing optokinetic nystagmus, en-

gages a number of important cortical as well as

brainstem pathways necessary to produce eye

movements. Hence, although the test is fairly

sensitive for picking up oculomotor problems

at a cortical and brainstem level, the interpre-

tation of failure of optokinetic nystagmus is a

complex process.

In addition to these motor inputs, the ocular

motor neurons also receive sensory inputs to

guide them. Although there are no spindles in

the ocular motor muscles to provide somatic

sensory feedback, the ocular motor nuclei de-

pend on two different types of sensory feed-

back. First, visual feedback allows the rapid cor-

rection of errors in gaze. Second, the ocular

motor nuclei receive direct and relayed inputs

from the vestibular system.

104

Because the

eyes must respond to changes in head position

very quickly to stabilize the visual image on

the retina, the direct vestibular input, which

identifies angular or linear acceleration of the

head, is integrated to providing a signal for

rapid correction of eye position. The abducens

nucleus is located at the same level as the

vestibular complex, and it receives inputs from

the medial and superior vestibular nuclei. Ad-

ditional axons from these nuclei cross the mid-

line and ascend in the contralateral MLF to

reach the trochlear and oculomotor nuclei.

These inputs from the vestibular system allow

both horizontal and vertical eye movements

(vestibulo-ocular reflexes) in response to ves-

tibular stimulation.

Another sensory input necessary for the

brain to calculate its position in space is head

position and movement. Ascending somatosen-

sory afferents, particularly from the neck mus-

cles and vertebral joint receptors, arise from the

C2–4 levels of the spinal cord. They ascend

through the MLF to reach the vestibular nuclei

and cerebellum, where they are integrated with

vestibular sensory inputs.

The vestibulocerebellum, including the floc-

culus, paraflocculus, and nodulus, receives ex-

tensive vestibular input as well as somatosen-

sory and visual afferents.

101

The output from

the flocculus ensures the accuracy of saccadic

eye movements and contributes to pursuit eye

movements and the ability to hold an eccen-

tric position of gaze. The vestibulocerebellum

is also critical in learning new relationships

between eye movements and visual displace-

ment (e.g., when wearing prism or magnifica-

tion glasses). Lesions of the vestibulocerebel-

lum cause ocular dysmetria (inability to perform

accurate saccades), ocular flutter (rapid to-and-

fro eye movements), and opsoclonus (chaotic

eye movements).

105

It may be difficult to dis-

tinguish less severe cases of vestibulocerebellar

function from vestibular dysfunction.

Because the MLF conveys so many classes

of input from the pontine level to the mid-

brain, lesions of the MLF have profound ef-

fects on eye movements. After a unilateral

MLF lesion, the eye ipsilateral to the lesion

cannot follow the contralateral eye in conju-

gate lateral gaze to the other side of space (an

internuclear ophthalmoplegia, a condition that

occurs quite commonly in multiple sclerosis

and brainstem lacunar infarcts). The abducting

eye shows horizontal gaze-evoked nystagmus

(slow phase toward the midline, rapid jerks

laterally), while the adducting eye stops in the

midline (if the lesion is complete) or fails to

fully adduct (if it is partial). Bilateral injury to

the MLF caudal to the oculomotor complex not

only causes a bilateral internuclear ophthal-

moplegia, but also prevents vertical vestibulo-

ocular responses or pursuit. Vertical saccades,

however, are implemented by the superior

colliculus inputs to the rostral interstitial nu-

cleus of Cajal, and are intact. Similarly, ver-

gence eye movements are intact after caudal

lesions of the MLF, which allows the paresis of

adduction to be distinguished from a medial

rectus palsy. More rostral MLF lesions, how-

ever, may also damage the closely associated

preoculomotor areas for vertical or vergence

eye movements.

The Ocular Motor Examination

The examination of the ocular motor system in

awake, alert subjects involves testing both vol-

untary and reflex eye movements. In patients

with stupor or coma, testing of reflex eyelid and

ocular movements must suffice.

99

Examination of the Comatose Patient

63

EYELIDS AND CORNEAL RESPONSES

Begin by noting the position of the eyes and

eyelids at rest and observing for spontaneous

eye movements. The eyelids at rest in coma, as

in sleep, are maintained in a closed position by

tonic contraction of the orbicularis oculi mus-

cles. (Patients with long-term impairment of

consciousness who enter a persistent vegeta-

tive state have alternating cycles of eyes open-

ing and closing; see Chapter 9.) Next, gently

raise and then release the eyelids, noting their

tone. The eyelids of a comatose patient close

smoothly and gradually, a movement that can-

not be duplicated by an awake individual sim-

ulating unconsciousness. Absence of tone or

failure to close either eyelid can indicate facial

motor weakness. Blepharospasm, or strong re-

sistance to eyelid opening and then rapid clo-

sure, is usually voluntary, suggesting that the

patient is not truly comatose. However, lethar-

gic patients with either metabolic or structural

lesions may resist eye opening, as do some pa-

tients with a nondominant parietal lobe infarct.

In awake patients, ptosis may result from ei-

ther brainstem or hemispheric injury. In pa-

tients with unilateral forebrain infarcts, the

ptosis is often ipsilateral to hemiparesis.

106

In

cases of brainstem injury, the ptosis may be

part of a Horner’s syndrome (i.e., accompanied

by pupilloconstriction), due to injury to the lat-

eral tegmentum, or it may be due to an injury

to the oculomotor complex or nerve, in which

case it is typically accompanied by pupillodila-

tion. Tonically retracted eyelids (Collier’s sign)

may be found in patients with dorsal midbrain

or, occasionally, pontine damage.

Spontaneous blinking usually is lost in coma

as a function of the depressed level of con-

sciousness and concomitant eye closure. How-

ever, in persistent vegetative state, it may re-

turn during cycles of eye opening (Chapter 9).

Blinking in response to a loud sound or a

bright light implies that the afferent sensory

pathways are intact to the brainstem, but does

not necessarily mean that they are active at a

forebrain level. Even patients with complete

destruction of the visual cortex may recover

reflex blink responses to light,

107

but not to

threat.

108

A unilateral impairment of the speed

or depth of the eyelid excursion during blink-

ing occurs in patients with ipsilateral facial

paresis.

The corneal reflex can be performed by ap-

proaching the eye from the side with a wisp

of cotton that is then gently applied to the

sclera and pulled across it to touch the corneal

surface.

109

Eliciting the corneal reflex in coma

may require more vigorous stimulation than in

an awake subject, but it is important not to

touch the cornea with any material that might

scratch its delicate surface. Corneal trauma

can be completely avoided by testing the cor-

neal reflex with sterile saline. Two to three

drops of sterile saline are dropped on the

cornea from a height of 4 to 6 inches.

109

Reflex

closure of both eyelids and elevation of both

eyes (Bell’s phenomenon) indicates that the

reflex pathways, from the trigeminal nerve and

spinal trigeminal nucleus through the lateral

brainstem tegmentum to the oculomotor and

facial nuclei, remain intact. However, some

patients who wear contact lenses may have per-

manent suppression of the corneal reflex. In

other patients with an acute lesion of the des-

cending corticofacial pathways, the blink reflex

may be suppressed, but Bell’s phenomenon

should still occur. A structural lesion at the

midbrain level may result in loss of Bell’s phe-

nomenon, but an intact blink response. A le-

sion at the midpontine level may not only im-

pair Bell’s phenomenon, but also cause the

jaw to deviate to the opposite side (corneal-

mandibular reflex), a phenomenon that may

also occur with eye blink.

110

EXAMINATION OF OCULAR

MOTILITY

Hold the eyelids gently in an open position

to observe eye position and movements in a

comatose patient. A small flashlight or bright

ophthalmoscope held about 50 cm from the

face and shined toward the eyes of the patient

should reflect off the same point in the cornea

of each eye if the gaze is conjugate. Most pa-

tients with impaired consciousness demon-

strate a slight exophoria. If it is possible to ob-

tain a history, ask about eye movements, as a

congenital strabismus may be misinterpreted

as dysconjugate eye movements due to a brain-

stem lesion. Observe for a few moments for

spontaneous eye movements. Slowly roving eye

movements are typical of metabolic encepha-

lopathy, and if conjugate, they imply an intact

ocular motor system.

64

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

The vestibulo-ocular responses are then

tested by rotating the patient’s head (oculoce-

phalic reflexes).

99

In patients who may have

suffered trauma, it is important first to rule out

the possibility of a fracture or dislocation of the

cervical spine; until this is done, it may be nec-

essary to skip ahead to caloric testing (see be-

low). The head is rotated first in a lateral di-

rection to either side while holding the eyelids

open. This can be done by grasping the head

on either side with both hands and using the

thumbs to reach across to the eyelids and hold

them open. The head movements should be

brisk, and when the head position is held at

each extreme for a few seconds, the eyes should

gradually come back to midposition. Moving

the head back to the opposite side then pro-

duces a maximal stimulus. The eye movements

should be smooth and conjugate. The head is

then rotated in a vertical plane (as in head

nodding) and the eyes are observed for vertical

conjugate movement. During downward head

movement, the eyelids may also open (the

doll’s head phenomenon).

111

The normal response generated by the ves-

tibular input to the ocular motor system is

for the eyes to rotate counter to the direction

of the examiner’s movement (i.e., turning the

head to the right should cause the eyes to de-

viate to the left). In an awake patient, the vol-

untary control of gaze overcomes this reflex

response. However, in patients with impaired

consciousness, the oculocephalic reflex should

predominate. This response is often colloqui-

ally called the doll’s eye response,

111

and nor-

mal responses in both horizontal and vertical

directions imply intact brainstem pathways

from the vestibular nuclei through the lower

pontine tegmentum and thence the upper

pontine and midbrain paramedian tegmentum

(i.e., along the course of the MLF; see below).

There may also be a small contribution from

proprioceptive afferents from the neck,

112

which also travel through the medial longitu-

dinal fasciculus. Because these pathways over-

lap extensively with the ascending arousal sys-

tem (see Figure 2–8), it is quite unusual for

patients with structural causes of coma to have

a normal oculocephalic examination. In con-

trast, patients with metabolic encephalop-

athy, particularly due to hepatic failure, may

have exaggerated or very brisk oculocephalic

responses.

Eye movements in patients who are deeply

comatose may respond sluggishly or not at all to

oculocephalic stimulation. In such cases, more

intense vestibular stimulation may be obtained

by testing caloric vestibulo-ocular responses.

With appropriate equipment, vestibulo-ocular

monitoring can be done using galvanic stimu-

lation and video-oculography.

113

However, at

the bedside, caloric stimuli and visual inspec-

tion are generally used (see Figure 2–9). The

ear canal is first examined and, if necessary,

cerumen is removed to allow clear visualiza-

tion that the tympanic membrane is intact. The

head of the bed is then raised to about 30

degrees to bring the horizontal semicircular

canal into a vertical position so that the re-

sponse is maximal. If the patient is merely

sleepy, the canal may be irrigated with cool

water (158C to 208C); this usually induces a

brisk response and may occasionally cause

nausea and vomiting. Fortunately, in practice,

it is rarely necessary to use caloric stimulation

in such patients. If the patient is deeply co-

matose, a maximal stimulus is obtained by us-

ing ice water. A large (50 mL) syringe is used,

attached to a plastic IV catheter, which is gently

advanced until it is near the tympanic mem-

brane. An emesis basin can be placed below the

ear, seated on an absorbent pad, to catch the

effluent. The ice water is infused at a rate of

about 10 mL/minute for 5 minutes, or until a

response is obtained. After a response is ob-

tained, it is necessary to wait at least 5 minutes

for the response to dissipate before testing the

opposite ear. To test vertical eye movements,

both external auditory canals are irrigated si-

multaneously with cold water (causing the eyes

to deviate downward) or warm water (causing

upward deviation).

The cold water induces a downward con-

vection current, away from the ampulla, in the

endolymph within the horizontal semicircular

canal. The effect of the current upon the hair

cells in the ampulla is to reduce tonic dis-

charge of the vestibular neurons. Because the

vestibular neurons associated with the hori-

zontal canal fire fastest when the head is turn-

ing toward that side (and thus push the eyes

to the opposite side), the result of cold water

stimulation is to produce a stimulus as if the

head were turning to the opposite side, thus

activating the ipsilateral lateral rectus and con-

tralateral medial rectus muscles to drive the

Examination of the Comatose Patient

65

Turn right

A

Brainstem intact

(metabolic

encephalopathy)

B

Right lateral

pontine lesion

(gaze paralysis)

C

MLF lesion

(bilateral internuclear

ophthalmoplegia)

D

Right paramedian

pontine lesion

(1 1/2 syndrome)

E

Midbrain lesion

(bilateral)

Right side

Left side

Bilateral

Bilateral

Cool water

Warm water

Turn left

Tilt back

Oculocephalic responses

Caloric responses

Tilt forward

66

Figure 2–9. Ocular reflexes in unconscious patients. The left-hand side shows the responses to oculocephalic maneuvers (which should only be done after the possibility of cervical

spine injury has been eliminated). The right-hand side shows responses to caloric stimulation with cold or warm water (see text for explanation). Normal brainstem reflexes in a

patient with metabolic encephalopathy are illustrated in row (A). The patient shown in row (B) has a lesion of the right side of the pons (see Figure 2–8), causing a paralysis of gaze

to that side with either eye. Row (C) shows the result of a lesion involving the medial longitudinal fasciculus (MLF) bilaterally (bilateral internuclear ophthalmoplegia). Only

abducens responses with each eye persist. The patient in row (D) has a lesion involving both MLFs and the right abducens nucleus (one and a half syndrome). Only left eye

abduction is retained. Row (E) illustrates a patient with a midbrain infarction eliminating both the oculomotor and trochlear responses, leaving only bilateral abduction responses.

Note that the extraocular responses are identical to (C), in which there is a bilateral lesion of the MLF. However, pupillary light responses would be preserved in the latter case.

(From Saper, C. Brain stem modulation of sensation, movement, and consciousness. Chapter 45 in: Kandel, ER, Schwartz, JH, Jessel, TM. Principles of Neural Science. 4th ed.

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

67

eyes toward the side of cold water stimulation.

Any activation of the anterior canal (which ac-

tivates the ipsilateral superior rectus and the

contralateral inferior oblique muscles) and the

posterior canal (which activates the ipsilateral

superior oblique and contralateral inferior rec-

tus muscles) by caloric stimulation cancel each

other out.

When caloric stimulation is done in an

awake patient who is trying to maintain fixation

(e.g., in the vestibular testing laboratory), cool

water (about 308C) causes a slow drift toward

the side of stimulation, with a compensatory

rapid saccade back to the midline (the direc-

tion of nystagmus is the direction of the fast

component). Warm stimulation (about 448C)

induces the opposite response. The traditional

mnemonic for remembering these movements

is ‘‘COWS’’ (cold opposite, warm same), which

refers to the direction of nystagmus in an

awake patient. This mnemonic can be con-

fusing for inexperienced examiners, as the re-

sponses seen in a comatose patient with an

intact brainstem are the opposite: cold water