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

Confin Neurol 34 (5), 331–338, 1972.

134. Keane JR. Intermittent see-saw eye movements.

Report of a patient in coma after hyperextension

head injury. Arch Neurol 35 (3), 173–174, 1978.

135. Schott JM, Rossor MN. The grasp and other prim-

itive reflexes. J Neurol Neurosurg Psychiatry 74 (5),

558–560, 2003.

136. Jacobs L, Gossman MD. Three primitive reflexes in

normal adults. Neurology 30 (2), 184–188, 1980.

137. De RE, Barbieri C. The incidence of the grasp reflex

following hemispheric lesion and its relation to fron-

tal damage. Brain 115 (Pt 1), 293–313, 1992.

138. Greenberg DA, Simon RP. Flexor and extensor

postures in sedative drug-induced coma. Neurology

32 (4), 448–451, 1982.

139. Jennett B, Teasdale G. Aspects of coma after severe

head injury. Lancet 1(8017), 878–881, 1977.

140. Sherrington CS. Cataleptoid reflexes in the monkey.

Proc Royal Soc Lond 60, 411–414, 1897.

141. Kirk MM, Hoogwerf BJ, Stoller JK. Reversible

decerebrate posturing after profound and prolonged

hypoglycemia. Cleve Clin J Med 58 (4), 361–363,

1991.

142. Conomy JP, Swash M. Reversible decerebrate and

decorticate postures in hepatic coma. N Engl J Med

278 (16), 876–879, 1968.

143. Strauss GI, Moller K, Larsen FS, et al. Cerebral

glucose and oxygen metabolism in patients with ful-

minant hepatic failure. Liver Transpl 9 (12), 1244–

1252, 2003.

144. Kosaka Y, Tanaka K, Sawa H, et al. Acid-base

disturbance in patients with fulminant hepatic fail-

ure. Gastroenterol Jpn 14(1), 24–30, 1979.

145. Krapf R, Caduff P, Wagdi P, et al. Plasma potassium

response to acute respiratory alkalosis. Kidney Int

47 (1), 217–224, 1995.

146. Spector RH, Davidoff RA, Schwartzman RJ.

Phenytoin-induced ophthalmoplegia. Neurology 26

(11), 1031–1034, 1976.

147. Pulst SM, Lombroso CT. External ophthalmoplegia,

alpha and spindle coma in imipramine overdose:

case report and review of the literature. Ann Neurol

14(5), 587–590, 1983.

148. Odaka M, Yuki N, Yamada M, et al. Bickerstaff’s

brainstem encephalitis: clinical features of 62 cases

and a subgroup associated with Guillain-Barre syn-

drome. Brain 126 (Pt 10), 2279–2290, 2003.

149. Ragosta K. Miller Fisher syndrome, a brainstem

encephalitis, mimics brain death. Clin Pediatr (Phila)

32 (11), 685–687, 1993.

150. Dhiravibulya K, Ouvrier R, Johnston I, et al. Benign

intracranial hypertension in childhood: a review of

23 patients. J Paediatr Child Health 27 (5), 304–307,

1991.

151. Thomke F, Mika-Gruttner A, Visbeck A, et al. The

risk of abducens palsy after diagnostic lumbar punc-

ture. Neurology 54 (3), 768–769, 2000.

152. Speer C, Pearlman J, Phillips PH, et al. Fourth cranial

nerve palsy in pediatric patients with pseudotumor

cerebri. Am J Ophthalmol 127 (2), 236–237, 1999.

153. Malouf R, Brust JC. Hypoglycemia: causes, neuro-

logical manifestations, and outcome. Ann Neurol

17(5), 421–430, 1985.

154. Vaughan CJ, Delanty N. Hypertensive emergencies.

Lancet 356 (9227), 411–417, 2000.

155. Mitchell P, Wilkinson ID, Hoggard N, et al.

Detection of subarachnoid haemorrhage with mag-

netic resonance imaging. J Neurol Neurosurg Psy-

chiatry 70, 205–211, 2001.

156. Lin A, Ross BD, Harris K, et al. Efficacy of proton

magnetic resonance spectroscopy in neurological

diagnosis and neurotherapeutic decision making.

NeuroRx 2(2), 197–214, 2005.

86

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

157. Guillevin R, Vallee JN, Demeret S, et al. Cerebral

fat embolism: Usefulness of magnetic resonance

spectroscopy. Ann Neurol 57, 434–439, 2005.

158. Schoning M, Scheel P, Holzer M, et al. Volume

measurement of cerebral blood flow: assessment of

cerebral circulatory arrest. Transplantation 80 (3),

326–331, 2005.

159. Dominguez-Roldan JM, Garcia-Alfaro C, Jimenez-

Gonzalez PI, et al. Brain death due to supratentor-

ial masses: diagnosis using transcranial Doppler so-

nography. Transplant Proc 36 (10), 2898–2900, 2004.

160. Wojner-Alexandrov AW, Alexandrov AV, Rodriguez

D, et al. Houston paramedic and emergency stroke

treatment and outcomes study (HoPSTO). Stroke 36

(7), 1512–1518, 2005.

161. Panerai RB, Kerins V, Fan L, et al. Association

between dynamic cerebral autoregulation and mor-

tality in severe head injury. Br J Neurosurg 18 (5),

471–479, 2004.

162. Droste DW, Metz RJ. Clinical utility of echocontrast

agents in neurosonology. Neurol Res 26 (7), 754–

759, 2004.

163. Brenner RP. The interpretation of the EEG in

stupor and coma. Neurologist 11(5), 271–284, 2005.

164. Kaplan PW. Assessing the outcomes in patients with

nonconvulsive status epilepticus: nonconvulsive sta-

tus epilepticus is underdiagnosed, potentially over-

treated, and confounded by comorbidity. J Clin

Neurophysiol 16 (4), 341–352, discussion 353, 1999.

165. Brenner RP. Is it status? Epilepsia 43 (Suppl 3),

103–113, 2002.

166. Towne AR, Waterhouse EJ, Boggs JG, et al. Preva-

lence of nonconvulsive status epilepticus in coma-

tose patients. Neurology 54, 340–345, 2000.

167. Burneo JG, Knowlton RC, Gomez C, et al. Confir-

mation of nonconvulsive limbic status epilepticus

with the sodium amytal test. Epilepsia 44, 1122–

1126, 2003.

168. Kaplan PW. The clinical features, diagnosis, and

prognosis of nonconvulsive status epilepticus. Neu-

rologist 11(6), 348–361, 2005.

169. Fischer C, Luaute´ J, Adeleine P, et al. Predictive

value of sensory and cognitive evoked potentials for

awakening from coma. Neurology 63, 669–673, 2004.

Examination of the Comatose Patient

87

Chapter

3

Structural Causes of

Stupor and Coma

COMPRESSIVE LESIONS AS A CAUSE

OF COMA

COMPRESSIVE LESIONS MAY DIRECTLY

DISTORT THE AROUSAL SYSTEM

Compression at Different Levels

of the Central Nervous System Presents

in Distinct Ways

The Role of Increased Intracranial Pressure

in Coma

The Role of Vascular Factors and Cerebral

Edema in Mass Lesions

HERNIATION SYNDROMES:

INTRACRANIAL SHIFTS IN

THE PATHOGENESIS OF COMA

Anatomy of the Intracranial Compartments

Patterns of Brain Shifts That Contribute

to Coma

Clinical Findings in Uncal Herniation

Syndrome

Clinical Findings in Central Herniation

Syndrome

Clinical Findings in Dorsal Midbrain

Syndrome

Safety of Lumbar Puncture in Comatose

Patients

False Localizing Signs in the Diagnosis

of Structural Coma

DESTRUCTIVE LESIONS AS A CAUSE

OF COMA

DIFFUSE, BILATERAL CORTICAL

DESTRUCTION

DESTRUCTIVE DISEASE OF

THE DIENCEPHALON

DESTRUCTIVE LESIONS OF

THE BRAINSTEM

Two major classes of structural brain injuries

cause coma (Table 3–1): (1) Compressive lesions

may impair consciousness either by directly

compressing the ascending arousal system or

by distorting brain tissue so that it moves out

of position and secondarily compresses compo-

nents of the ascending arousal system or its

forebrain targets (see herniation syndromes,

page 95). These processes include a wide range

of space-occupying lesions such as tumor, he-

matoma, and abscess. (2) Destructive lesions

cause coma by direct damage to the ascending

arousal system or its forebrain targets. To cause

coma, lesions of the diencephalon or brainstem

must be bilateral, but can be quite focal if they

damage the ascending activating system near

the midline in the midbrain or caudal dien-

cephalon; cortical or subcortical damage must

be both bilateral and diffuse. Processes that

may cause these changes include tumor, hem-

orrhage, infarct, trauma, or infection. Both de-

structive and compressive lesions may cause

88

additional compression by producing brain

edema.

Most compressive lesions are treated surgi-

cally, whereas destructive lesions are generally

treated medically. This chapter describes the

pathophysiology and general approach to pa-

tients with structural lesions of the brain, first

considering compressive and then destructive

lesions. Chapter 4 deals with some of the spe-

cific causes of coma outlined in Table 3–1.

Chapter 2 has described some of the phys-

ical findings that distinguish structural from

nonstructural causes of stupor and coma. The

physician must first decide whether the patient

is indeed stuporous or comatose, distinguish-

ing those patients who are not in coma but suf-

fer from abulia, akinetic mutism, psychologic

unresponsiveness, or the locked-in state from

those truly stuporous or comatose (see Chap-

ter 1). This is usually relatively easily done dur-

ing the course of the initial examination. More

difficult is distinguishing structural from met-

abolic causes of stupor or coma. As indicated

in Chapter 2, if the structural cause of coma

involves the ascending arousal system in the

brainstem, the presence of focal findings usu-

ally makes the distinction between metabolic

and structural coma easy. However, when the

structural disease involves the cerebral cortex

diffusely or the diencephalon bilaterally, focal

signs are often absent and it may be difficult to

distinguish structural from metabolic coma.

Compressive lesions that initially do not cause

focal signs eventually do so, but by then coma

may be irreversible. Thus, if there is any ques-

tion about the distinction between structural

and metabolic coma, immediately after stabi-

lizing the patient, an imaging study (usually a

computed tomography [CT] scan but, if avail-

able, a magnetic resonance imaging [MRI]

scan) must be obtained to rule out a mass le-

sion that may be surgically remediable. Identi-

fying surgically remediable lesions that have

not yet caused focal findings gives the physi-

cian time to stabilize the patient and investi-

gate other additional nonstructural causes of

coma. The time, however, is short and should

be counted in minutes rather than hours or

days. If focal findings are already present, ef-

forts to decrease intracranial pressure (ICP),

including hyperventilation and hyperosmolar

agents and often administration of corticoste-

roids (Chapter 7), should be instituted before

sending the patient for imaging.

COMPRESSIVE LESIONS AS

A CAUSE OF COMA

Compressive lesions may impair consciousness

in a number of critical ways: (1) by directly dis-

torting the arousal system or its forebrain tar-

gets; (2) by increasing ICP diffusely to the point

of impairing global cerebral blood flow; (3)

by distorting tissue to the point of causing lo-

cal ischemia; (4) by causing edema, thus fur-

ther distorting neural tissue; or (5) by causing

tissue shifts (herniations). Understanding the

Table 3–1 Sites and Representative Causes of Structural Lesions

That Can Cause Coma

Compressive

Destructive

Cerebral

Cerebral hemisphere

Bilateral subdural hematomas

Cortex (e.g., acute anoxic injury)

Diencephalon

Subcortical white matter

(e.g., delayed anoxic injury)

Thalamus (e.g., hemorrhage)

Hypothalamus (e.g., pituitary tumor)

Diencephalon

Brainstem

Thalamus (e.g., infarct)

Midbrain (e.g., uncal herniation)

Brainstem

Cerebellum (e.g., tumor,

hemorrhage, abscess)

Midbrain, pons (e.g., infarct)

Structural Causes of Stupor and Coma

89

anatomy and pathophysiology of each of these

processes is critical in evaluating patients in

coma.

COMPRESSIVE LESIONS

MAY DIRECTLY DISTORT

THE AROUSAL SYSTEM

Compression at key levels of the brain may

cause coma by exerting pressure upon the struc-

tures of the arousal system. The mechanism by

which local pressure may impair neuronal func-

tion is not entirely understood. However, neu-

rons are dependent upon axonal transport to

supply critical proteins and mitochondria to

their terminals, and to transport used or dam-

aged cellular components back to the cell body

for destruction and disposal. Even a loose lig-

ature around an axon causes damming of axon

contents on both sides of the stricture, due to

impairment of both anterograde and retrograde

axonal flow, and results in impairment of axonal

function. Perhaps the clearest example of this

relationship is provided by the optic nerve in

patients with papilledema (see section on in-

creased ICP, page 91). When a compressive

lesion results in displacement of the structures

of the arousal system, consciousness may be-

come impaired, as described in the sections

below.

Compression at Different Levels

of the Central Nervous System

Presents in Distinct Ways

When a cerebral hemisphere is compressed by

a lesion such as a subdural hematoma, tumor,

or abscess that grows slowly over a long period

of time, it may reach a relatively large size with

little in the way of local signs that can help

identify the diagnosis. The tissue in the cerebral

hemispheres can absorb a surprising amount of

distortion and stretching, as long as the growth

of the mass can be compensated for by dis-

placing cerebrospinal fluid (CSF) from the

ventricles in that hemisphere. However, when

there is no further room in the hemisphere

to expand, even a small amount of growth can

only be accommodated by compressing the di-

encephalon and midbrain either laterally across

the midline or downward. In such patients, the

impairment of consciousness correlates with

the displacement of the diencephalon and up-

per brainstem in a lateral or caudal direction.

1

Hence, when a patient with a hemispheric le-

sion reaches the point of impairment of con-

sciousness, there is very little time left to in-

tervene before the brain is irreparably injured.

The diencephalon may also be compressed

by a mass lesion in the thalamus itself (gener-

ally a tumor or a hemorrhage) or a mass in the

suprasellar cistern (typically a craniopharyngi-

oma, a germ cell tumor, or suprasellar exten-

sion of a pituitary adenoma; see Chapter 4). In

addition to causing impairment of conscious-

ness, suprasellar tumors typically cause visual

field deficits, classically a bitemporal hemia-

nopsia, although a wide range of optic nerve or

tract injuries may also occur. If a suprasellar

tumor extends into the cavernous sinus, there

may be injury to the cranial nerves that supply

the ocular muscles (III, IV, VI) and the oph-

thalmic division of the trigeminal nerve (V1).

On occasion, these tumors may also cause en-

docrine dysfunction. If they damage the pitui-

tary stalk, they may cause diabetes insipidus or

panhypopituitarism. In women, the presence

of a pituitary tumor is often heralded by ga-

lactorrhea and amenorrhea, as prolactin is the

sole anterior pituitary hormone under negative

regulation, and it is typically elevated when

the pituitary stalk is damaged.

The dorsal midbrain may be compressed by

a tumor in the pineal region. Pineal mass lesions

may be suprasellar germinomas or other germ

cell tumors (embryonal cell carcinoma, terato-

carcinoma) that occur along the midline, or

pineal masses including pinealcytoma or pineal

astrocytoma. Pineal masses compress the pre-

tectal area as well. Thus, in addition to causing

impairment of consciousness, they produce di-

agnostic neuro-ophthalmologic signs including

fixed, slightly enlarged pupils; impairment of vol-

untary vertical eye movements (typically eleva-

tion is impaired earlier and more severely than

depression) and convergence; and convergence

nystagmus and sometimes retractory nystagmus

(Parinaud’s syndrome; see page 110).

2

Hem-

orrhage into the pulvinar of the thalamus, which

overlies the pretectal area and dorsal midbrain,

may sometimes produce a similar constellation

of signs.

Posterior fossa compressive lesions most often

originate in the cerebellum, including tumors,

hemorrhages, infarctions, or abscesses, although

90

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

occasionally extra-axial lesions, such as a sub-

dural or epidural hematoma, may have a sim-

ilar effect. Tumors of the cerebellum include

the full range of primary and metastatic brain

tumors (Chapter 4), as well as juvenile pilocytic

astrocytomas and medulloblastomas in children

and hemangioblastoma in patients with von

Hippel-Lindau syndrome.

A cerebellar mass causes coma by direct com-

pression of the brainstem, which may also cause

the brainstem to herniate upward through the

tentorial notch. As the patient loses conscious-

ness, there is a pattern of pontine level dysfunc-

tion, with small reactive pupils, impairment of

vestibulo-ocular responses (which may be asym-

metric), and decerebrate motor responses.

3,4

Because the base of the pons is farthest from

the cerebellum, motor signs (e.g., upgoing toes)

are usually a relatively late finding, and suggest

instead an intrinsic brainstem mass. With up-

ward pressure on the midbrain, the pupils be-

come asymmetric or unreactive. If vestibulo-

ocular responses were not previously impaired

by pontine compression, vertical eye movements

may be lost.

Cerebellar mass lesions may also cause coma

by compressing the fourth ventricle to the point

where it impairs flow of CSF. This causes acute

hydrocephalus and rapidly increasing ICP (see

page 147). The onset of obstruction of the

fourth ventricle is typically heralded by nau-

sea and sometimes sudden, projectile vomiting.

There may also be a history of ataxia, vertigo,

neck stiffness, and eventually respiratory arrest

as the cerebellar tonsils are impacted upon the

lip of the foramen magnum. If the compression

develops slowly (i.e., over more than 12 hours),

there may also be papilledema. Because cere-

bellar masses may cause acute obstruction of

the fourth ventricle by expanding by only a few

millimeters in diameter, they are potentially very

dangerous.

On occasion, impairment of consciousness

may occur as a result of a mass lesion directly

compressing the brainstem. These are more

commonly intrinsic masses, such as an abscess

or a hemorrhage, in which case it is difficult to

determine how much of the impairment is due

to compression as opposed to destruction. Oc-

casionally, a mass lesion of the cerebellopon-

tine angle, such as a vestibular schwannoma,

meningioma, or cholesteatoma, may compress

the brainstem. However, these are usually slow

processes and the mass may reach a very large

size and often causes signs of local injury be-

fore consciousness is impaired.

The Role of Increased Intracranial

Pressure in Coma

A key and often misunderstood point is that

increases in ICP are withstood remarkably well

by the brain, as long as they progress relatively

slowly. In patients with chronic elevation of CSF

pressure, such as those with pseudotumor cer-

ebri, there is little evidence of brain dysfunction,

even when CSF pressures reach 600 mm of wa-

ter or greater. The chief problems induced by

increased ICP are papilledema and headache,

until the pressure gets high enough to impair

cerebral blood flow.

Papilledema is due to the pressure differen-

tial applied to the optic nerve by the increase in

ICP. Retinal ganglion cells within the eye are

subject to intraocular pressure, typically in the

same range as normal CSF pressure. Their axons

leave the eye through the optic disk and travel

to the brain via the optic nerve. Axoplasm flows

from the retinal ganglion cell bodies in the

eye, down the axon and through the optic disc.

Similarly, the retinal veins within the eye are

subject to intraocular pressure. They also leave

through the optic disc and run along the optic

nerve. The optic nerve in turn is surrounded by

a dural and arachnoid sleeve, which contains

CSF that communicates with the CSF in the

subarachnoid space around the brain.

5

The op-

tic disk itself is composed of a dense fibrous net-

work forming a cribriform (from the Latin for

sieve) plate that acts as a pressure fitting, so that

the optic nerve and retinal vein are exposed to

intraocular pressure on one side of the disk and

to ICP on the other side.

Normally, axonal transport proceeds unim-

peded and the retinal veins show normal venous

pulsations, as there is little, if any, pressure dif-

ferential between the two compartments. As

ICP rises above systemic venous pressure, ret-

inal venous pulsations are damped or elimi-

nated as an early feature of papilledema. The

retinal veins become larger and more numer-

ous appearing, because increased venous pres-

sure causes smaller veins to become more no-

ticeable on funduscopy. Thus, the presence of

retinal venous pulsations is a good but not

invariable sign of normal ICP, and engorge-

ment of retinal veins is a reliable early sign of

Structural Causes of Stupor and Coma

91

increased ICP.

6,7

A second consequence of in-

creased ICP is that axoplasmic flow is impaired

(as if a loose ligature had been tied around the