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



Yüklə 9,02 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə35/73
tarix09.02.2017
ölçüsü9,02 Mb.
#8080
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   73

which, because of their diffuse involvement of

brain, resemble the metabolic encephalopath-

ies more than they do focal structural disease.

Heading H lists a variety of miscellaneous dis-

orders whose cause is unknown. Although they

represent a heterogeneous group of disorders,

the diseases listed in Table 5–1, when they cause

stupor and coma, can usually be distinguished

by clinical signs alone from supratentorial and

infratentorial focal lesions and from psychologic

disorders.

One caveat: neither the neurologic exami-

nation nor the examiner is infallible, and some

patients have more than one cause for coma.

Hence, even when the diagnosis of metabolic

disease is absolutely unequivocal, unless the

response to treatment is rapid and equally ro-

bust, imaging is an essential part of a careful

workup.


CLINICAL SIGNS OF METABOLIC

ENCEPHALOPATHY

Each patient with metabolic coma has a dis-

tinctive clinical picture, depending on the par-

ticular causative illness, the depth of coma, and

the complications provided by comorbid ill-

nesses or their treatment. Despite these indi-

vidualities, however, specific illnesses often pro-

duce certain clinical patterns that recur again

and again, and once recognized, they betray the

diagnosis. A careful evaluation of consciousness,

respiration, pupillary reactions, ocular move-

ments, motor function, and the electroenceph-

alogram (EEG) may differentiate metabolic

encephalopathy from psychiatric dysfunction

(Chapter 6) on the one hand, and from supra-

tentorial or infratentorial structural disease on

the other (see Chapters 3 and 4). Because these

general characteristics of metabolic coma are so

important, they are discussed before the specific

disease entities.

CONSCIOUSNESS: CLINICAL

ASPECTS

In patients with metabolic encephalopathy,



stupor or coma is usually preceded by delir-

ium. Delirium is characterized by alterations of

arousal (either increased or decreased),

1

dis-



orientation, decreased short-term memory, re-

duced ability to maintain and shift attention,

disorganized thinking, perceptual disturbances,

delusions and/or hallucinations, and disorders

of sleep-wake cycle.

2

Some workers believe that



Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

181


Table 5–1 Some Diffuse, Multifocal, or Metabolic Causes of

Delirium, Stupor, and Coma

A. Deprivation of oxygen, substrate, or metabolic cofactors

1. Hypoxia* (interference with oxygen supply to the entire brain; cerebral

blood flow [CBF] normal)

a. Decreased blood PO

2

and O


2

content: pulmonary disease; alveolar

hypoventilation; decreased atmospheric oxygen tension

b. Decreased blood O

2

content, PO



2

normal: ‘‘anemic anoxia’’;

anemia; carbon monoxide poisoning; methemoglobinemia

2. Ischemia* (diffuse or widespread multifocal interference with blood

supply to brain)

a. Decreased CBF resulting from decreased cardiac output:

Stokes-Adams attack; cardiac arrest; cardiac arrhythmias; myocardial

infarction; congestive heart failure; aortic stenosis; pulmonary embolism

b. Decreased CBF resulting from decreased peripheral resistance in systemic

circulation: syncope (see Table 5–8); carotid sinus hypersensitivity;

low blood volume

c. Decreased CBF associated with generalized or multifocal increased vas-

cular resistance: hyperventilation syndrome; hyperviscosity (polycythemia,

cryoglobulinemia or macroglobulinemia, sickle cell anemia); subarachnoid

hemorrhage; bacterial meningitis; hypertensive encephalopathy

d. Decreased CBF owing to widespread small-vessel occlusions: disseminated

intravascular coagulation; systemic lupus erythematosus; subacute bacterial

endocarditis; fat embolism; cerebral malaria; cardiopulmonary bypass

3. Hypoglycemia* resulting from exogenous insulin: spontaneous (endogenous

insulin, liver disease, etc.)

4. Cofactor deficiency

Thiamine (Wernicke’s encephalopathy)

Niacin

Pyridoxine



Cyanocobalamin

Folic acid

B. Toxicity of endogenous products

1. Due to organ failure

Liver (hepatic coma)

Kidney (uremic coma)

Lung (CO

2

narcosis)



Pancreas (exocrine pancreatic encephalopathy)

2. Due to hyper- and/or hypofunction of endocrine organs: pituitary thyroid

(myxedema-thyrotoxicosis); parathyroid (hypo- and hyperparathyroidism);

adrenal (Addison’s disease, Cushing’s disease, pheochromocytoma); pancreas

(diabetes, hypoglycemia)

3. Due to other systemic diseases: diabetes; cancer; porphyria; sepsis

C. Toxicity of exogenous poisons

1. Sedative drugs*: hypnotics, tranquilizers, ethanol, opiates

2. Acid poisons or poisons with acidic breakdown products: paraldehyde; methyl

alcohol; ethylene glycol; ammonium chloride

3. Psychotropic drugs: tricyclic antidepressants and anticholinergic drugs;

amphetamines; lithium; phencyclidine; phenothiazines; LSD and mescaline;

ponoamine oxidase inhibitors

4. Others: penicillin; anticonvulsants; steroids; cardiac glycosides; trace metals;

organic phosphates; cyanide; salicylate

D. Abnormalities of ionic or acid-base environment of central nervous system (CNS)

Water and sodium (hyper- and hyponatremia)

Acidosis (metabolic and respiratory)

Alkalosis (metabolic and respiratory)

Magnesium (hyper- and hypomagnesemia)

Calcium (hyper- and hypocalcemia)

Phosphorus (hypophosphatemia)

182


impairment of attention is the underlying ab-

normality in all acute confusional states; others

emphasize clouding of consciousness as the

core symptom.

3

The importance of these early



behavioral warnings is so great that we will re-

view briefly some of the mental symptoms that

often precede metabolic coma and, by their

presence, suggest the diagnosis. The mental

changes are best looked for in terms of arousal,

attention, alertness, orientation and grasp, cog-

nition, memory, affect, and perception.

Tests of Mental Status

Assessing cognitive function in patients with

impairment of attention and alertness is often

difficult. However, careful quantitative assess-

ment of these functions is exceedingly impor-

tant, because changes in cognition often indi-

cate whether the physician’s therapeutic efforts

are improving or worsening the patient’s con-

dition. Several validated bedside tests that can

be given in a few minutes, even to confused pa-

tients, have been developed. These tests allow

one to score cognitive functions and to follow

the patient’s course in quantitative fashion.

4–6

One test is specifically designed for patients in



intensive care units, even those on respirators.

7

Table 5–2 illustrates one such scale.



Arousal can be defined as the degree of sen-

sory stimulation required to keep the patient

attending to the examiner’s question. Patients

with metabolic encephalopathy always have ab-

normalities of arousal. Some patients are hyper-

vigilant, whereas in others arousal is decreased.

In many delirious patients arousal alternates

between hyper- and hypovigilance.

1

Hyperar-


oused patients are so distractible that they can-

not maintain focus on relevant stimuli, whereas

hypoaroused patients need constant sensory

stimulation. In addition, most delirious patients

have an altered sleep-wake cycle, often sleeping

during the day but becoming more confused

and hyperactive at night (‘‘sundowning’’). Ab-

normalities of arousal can also be reflected

in motor activity, with hyperaroused patients

demonstrating increased but purposeless motor

activity and hypoaroused patients being rela-

tively immobile. Although certain clinical states

(i.e., drug withdrawal and fever) are more likely

to produce a hyperaroused state than are other

E. Disordered temperature regulation

Hypothermia

Heat stroke, fever

F. Infections or inflammation of CNS

Leptomeningitis

Encephalitis

Acute ‘‘toxic’’ encephalopathy

Parainfectious encephalomyelitis

Cerebral vasculitis/vasculopathy

Subarachnoid hemorrhage

G. Primary neuronal or glial disorders

Creutzfeldt-Jakob disease

Marchiafava-Bignami disease

Adrenoleukodystrophy

Gliomatosis, lymphomatosis cerebri

Progressive multifocal leukoencephalopathy

H. Miscellaneous disorders of unknown cause

Seizures and postictal states

Concussion

Acute delirious states*: sedative drugs and withdrawal; ‘‘postoperative’’ delirium;

intensive care unit delirium; drug intoxications

*Alone or in combination, the most common causes of delirium seen on medical or surgical wards.

Table 5–1 (cont.)

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

183


metabolic disorders such as drug intoxication

and hypoxia/ischemia, in a given patient the state

of arousal is not a reliable guide in diagnosis. In

general, about one-quarter of patients with de-

lirium are hyperaroused, one-quarter are hypo-

aroused, and one-half fluctuate between the two

states. Although hyperaroused patients are of-

ten diagnosed earlier because of their florid

behavior, their outcome appears no different

from those patients who are hypoactive.

8,9

Table 5–2 The Confusion Assessment Method for the Intensive



Care Unit (CAM-ICU)

Delirium is diagnosed when both features 1 and 2 are positive, along with either

feature 3 or feature 4.

Feature 1. Acute Onset of Mental Status Changes or Fluctuating Course



Is there evidence of an acute change in mental status from the baseline?





Did the (abnormal) behavior fluctuate during the past 24 hours, that is, tend to

come and go or increase and decrease in severity?

Sources of information: Serial Glasgow Coma Scale or sedation score ratings

over 24 hours as well as readily available input from the patient’s bedside critical

care nurse or family

Feature 2: Inattention



Did the patient have difficulty focusing attention?





Is there a reduced ability to maintain and shift attention?

Sources of information: Attention screening examinations by using either picture

recognition or Vigilance A random letter test (see Methods and Appendix 2 for

description of attention screening examinations). Neither of these tests requires

verbal response, and thus they are ideally suited for mechanically ventilated

patients.

Feature 3. Disorganized Thinking



Was the patient’s thinking disorganized or incoherent, such as rambling or



irrelevant conversation, unclear or illogical flow of ideas, or unpredictable

switching from subject to subject?



Was the patient able to follow questions and commands throughout the



assessment?

1. ‘‘Are you having any unclear thinking?’’

2. ‘‘Hold up this many fingers.’’ (Examiner holds two fingers in front of the

patient.)

3. ‘‘Now, do the same thing with the other hand.’’ (Not repeating the number

of fingers)

Feature 4. Altered Level of Consciousness



Any level of consciousness other than ‘‘alert.’’





Alert—normal, spontaneously fully aware of environment and interacts

appropriately



Vigilant—hyperalert





Lethargic—drowsy but easily aroused, unaware of some elements in the

environment, or not spontaneously interacting appropriately with the interview;

becomes fully aware and appropriately interactive when prodded minimally



Stupor—difficult to arouse, unaware of some or all elements in the environment,



or not spontaneously interacting with the interviewer; becomes incompletely

aware and inappropriately interactive when prodded strongly



Coma—unarousable, unaware of all elements in the environment, with no



spontaneous interaction or awareness of the interviewer, so that the interview

is difficult or impossible even with maximum prodding

From Ely et al.,

6

with permission.



184

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



ATTENTION AND ALERTNESS

Attention is a process whereby one focuses

on relevant stimuli from the environment and

is able to shift focus to other stimuli as they

become relevant. Most observers believe that

the core of delirium as an altered state of con-

sciousness is failure of attention. Attention

is assessed by the examiner during the course

of the clinical examination by determining

whether a patient continues to respond in an

appropriate fashion to the questions posed by

the examiner. Attention is tested formally by

having a patient perform a repetitive task that

requires multiple iterations, such as naming

the days of the week or months of the year, or a

random list of numbers or serial subtractions,

backwards. Failure to complete the task and

even inability to name what the task was indi-

cate inattention.

Three different disorders of attention can be

identified in delirious patients. The first disorder

that usually occurs in patients who are hyper-

aroused is distractibility. Patients shift attention

from the examiner to noises in the hallway or

other extraneous stimuli. A second abnormality

of attention is perseveration. Patients answer a

new question or respond to a new stimulus with

the same response they gave to the previous

stimulus, failing to redirect behavior toward the

new stimulus. The third abnormality is failure

to focus on an ongoing stimulus. After being dis-

tracted by another stimulus, the patient will for-

get to return to the activity in which he or she

was engaged before distraction.

Alterations of alertness preceding other

changes are more characteristic of acute or

subacutely developing metabolic encephalop-

athy than of more slowly developing demen-

tia; demented patients tend to lose orientation

and cognition before displaying an alteration

in alertness. Severe metabolic encephalopathy

eventually leads to stupor and finally coma, and

of course, when this point is reached, mental

testing no longer helps to distinguish metabolic

from other causes of brain dysfunction.

ORIENTATION AND GRASP

Although attention and arousal are the first

faculties to be impaired by metabolic encepha-

lopathies, they are difficult to quantify. As a re-

sult, defects in orientation and immediate grasp

of test situations often become the earliest

unequivocal symptoms of brain dysfunction.

When examining patients suspected of meta-

bolic or cerebral disorders, one must ask spe-

cifically the date, the time, the place, and how

long it takes or the route one would take to

reach home or some other well-defined place.

Even uneducated patients or those with limited

intellect should know the month and year, and

most should know the day and date, particu-

larly if there has been a recent holiday. Patients

with early metabolic encephalopathy lose ori-

entation for time and miss the year as frequently

as the month or the day. Orientation for dis-

tance is usually impaired next, and finally, the

identification of persons and places becomes

confused. Disorientation for person and place

but not time is unusual in structural disease but

sometimes is a psychologic symptom. Disori-

entation for self is almost always a manifesta-

tion of psychologically induced amnesia.

COGNITION

The content and progression of thought are

always disturbed in delirium and dementia,

sometimes as the incipient symptoms. To de-

tect these changes requires asking specific

questions employing abstract definitions and

problems. As attention and concentration are

nearly always impaired, patients with meta-

bolic brain disease usually make errors in serial

subtractions, and rarely can they repeat more

than three or four numbers in reverse. Thus,

difficulty with mental arithmetic is not a sign

necessarily of impaired calculation ability; writ-

ing the problem down, which eliminates the

attentional component of the task, allows as-

sessment of the underlying cognitive function.

It is important to inventory language skills (in-

cluding reading and writing), arithmetic skills,

and visuospatial skills (including drawing), as

well as to judge whether the patient is able

to cooperate and to distinguish focal cognitive

impairments (suggesting a focal lesion) from

more global derangement that is seen in met-

abolic encephalopathy.

MEMORY


Loss of recent memory for recent events and

inability to retain new memories for more than

a few minutes is a hallmark of dementia and

a frequent accompaniment of delirium. Most

patients with metabolic brain disease have a

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

185


memory loss that is proportional to other losses

of cognitive functions. When the maximal path-

ologic changes involve the medial temporal

lobe, however, recent memory loss outstrips

other intellectual impairments. Thus, memory

loss and an inability to form new associations

can be a sign of either diffuse or bilateral focal

brain disease.

AFFECT AND COMPORTMENT

Patients may appear apathetic and withdrawn,

in which case they are often believed by their

relatives to be depressed, or they may be ebul-

lient and outgoing, particularly when hyper-

aroused. Inappropriate comments and behav-

ior are common and often embarrassing to

friends and relatives. Patients are usually un-

aware that their behavior is inappropriate.

PERCEPTION

Patients with metabolic brain disease frequently

make perceptual errors, mistaking the mem-

bers of the hospital staff for old friends and

relatives and granting vitality to inanimate ob-

jects. Illusions are common and invariably in-

volve stimuli from the immediate environment.

Quiet and apathetic patients suffer illusory ex-

periences, but these must be asked about since

they are rarely volunteered. Anxious and fear-

ful patients, on the other hand, frequently ex-

press concern about their illusions and mis-

perceptions to the accompaniment of loud and

violent behavior. Unlike patients with psychi-

atric disorders, visual or combined visual and

auditory hallucinations are more common than

pure auditory ones.

10,11

Pathogenesis of the Mental



Changes

Both global and focal cerebral functional ab-

normalities can cause the mental symptoms of

metabolic brain disease. The global symptoms

result from alterations of arousal that in turn

interfere with attention, comprehension, and

cognitive synthesis. Well-recognized focal ce-

rebral abnormalities include specific abnormal-

ities in language recognition and synthesis, in

recent memory storage and recall, in gnosis

(recognition of persons and/or objects [from

the Greek for knowledge]) and praxis (ability to

preform an action [from the Greek for action]),

and perhaps in the genesis of hallucinations.

Focal lesions may mimic more diffuse causes

of delirium. Perhaps the best example is the

florid delirium that sometimes accompanies

cerebral infarcts of the nondominant parietal

lobe,

12

an area implicated in selective atten-



tion

13

that, as indicated above, may be the pri-



mary abnormality in delirium.

A combination of diffuse and focal dysfunc-

tion probably underlies the cerebral symptoms

of most patients with metabolic encephalopa-

thy. The extensive corticocortical physiologic

connectivity of the human brain discussed in

Chapter 1 implies that large focal abnormali-

ties inevitably will cause functional effects that

extend well beyond their immediate confines.

Furthermore, the more rapidly the lesion de-

velops, the more extensive will be the acute

functional loss. Thus, the general loss of highest

integrative functions in metabolic diseases is

compatible with a diffuse dysfunction of neu-

rons and, as judged by measurements of ce-

rebral metabolism, the severity of the clinical

signs is directly related to the mass of neurons

affected. However, certain distinctive clinical

signs in different patients and in different dis-

eases probably reflect damage to more discrete

areas having to do with memory and other

selective aspects of integrative behavior. An

example is the encephalopathy resulting from

thiamine deficiency (Wernicke-Korsakoff syn-

drome; see page 223). In this illness, patients

show acutely the clinical signs of delirium and,

rarely, coma.

14

All neuronal areas are deprived



of thiamine to the same extent, but certain cell

groups such as the mamillary bodies, the me-

diodorsal nucleus of the thalamus, the peria-

queductal gray matter, and the oculomotor

nuclei are pathologically more sensitive to the

deficiency and show the greatest anatomic

evidence of injury. The final common pathway

to neuronal destruction, as in many other dis-

orders, is probably glutamate-induced excito-

toxicity.

15,16

Thus, a diffuse disease may have



a focal maximum. Clinically, eye movements,

balance, and recent memory are impaired more

severely than are other mental functions, and

indeed, memory loss may persist to produce a

permanent Wernicke-Korsakoff syndrome af-

ter other mental functions and overall cerebral

metabolism have improved to a near-normal

level.


186

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



RESPIRATION

Sooner or later, metabolic brain disease nearly

always results in an abnormality of either the

depth or rhythm of breathing. Most of the

time, this is a nonspecific alteration and simply

a part of a more widespread brainstem de-

pression. Sometimes, however, the respiratory

changes stand out separately from the rest of

the neurologic defects and are more or less

specific to the disease in question. Some of these

specific respiratory responses are homeostatic

adjustments to the metabolic process causing

encephalopathy. The others occur in illnesses

that particularly affect the respiratory mecha-

nisms. Either way, proper evaluation and in-

terpretation of the specific respiratory changes

facilitate diagnosis and often suggest an urgent

need for treatment.

As a first step in appraising the breathing of

patients with metabolically caused coma, in-

creased or decreased respiratory efforts must

be confirmed as truly reflecting hyperventila-

tion or hypoventilation. Increased chest efforts

do not indicate hyperventilation if they merely

overcome obstruction or pneumonitis, and con-

versely, seemingly shallow breathing can ful-

fill the reduced metabolic needs of subjects in

deep coma. Although careful clinical evaluation

usually avoids those potential deceptions, the

bedside observations are most helpful when

anchored by direct determinations of the ar-

terial blood gases.

Neurologic Respiratory Changes

Accompanying Metabolic

Encephalopathy

Lethargic or slightly obtunded patients have

posthyperventilation apnea, probably resulting

from loss of the influence of the frontal lobes

in causing continual if low-volume ventila-

tion, even when there is no metabolic need to

breathe.

17

Those in stupor or light coma com-



monly exhibit Cheyne-Stokes respiration. With

more profound brainstem depression, tran-

sient neurogenic hyperventilation can ensue

either from suppression of brainstem inhibi-

tory regions or from development of neuro-

genic pulmonary edema.

18,19

As an illustration,



poisoning with short- or intermediate-acting

barbiturate preparations often induces brief

episodes of hyperventilation and motor hy-

pertonus, either during the stage of deepening

coma or as patients reawaken. Hypoglycemia

and anoxic damage are even more frequent

causes of transient hyperpnea. Diabetic keto-

acidosis and other causes of coma that cause

a metabolic acidosis may produce slow, deep

(Kussmaul) respirations. Both hepatic enceph-

alopathy and systemic inflammatory states

cause persistent hyperventilation, resulting

in a primary respiratory alkalosis. In these in-

stances, the increased breathing sometimes

outlasts the immediate metabolic perturba-

tion, and if the subject also has extensor rigid-

ity, the clinical picture may superficially re-

semble structural disease or severe metabolic

acidosis. However, attention to other neuro-

logic details usually leads to the proper diag-

nosis, as the following case illustrates.

Patient 5–1

A 28-year-old man was brought unconscious to

the emergency department. Fifteen minutes ear-

lier, with slurred speech, he had instructed a taxi

driver to take him to the hospital, then ‘‘passed

out.’’ His pulse was 100 per minute, and his blood

pressure was 130/90 mm Hg. His respirations were

40 per minute and deep. The pupils were small

(2 mm), but the light and ciliospinal reflexes were

preserved. Oculocephalic reflexes were present.

Deep tendon reflexes were hyperactive; there were

bilateral extensor plantar responses, and he peri-

odically had bilateral extensor spasms of the arms

and legs. His blood glucose was 20 mg/dL. After

25 g of glucose was given intravenously, respira-

tions quieted, the extensor spasms ceased, and he

withdrew appropriately from noxious stimuli. Af-

ter 75 g of glucose, he awoke and disclosed that

he was diabetic, taking insulin, and had neglected

to eat that day.

Comment: This man’s hyperpnea and decere-

brate rigidity initially suggested structural brainstem

disease to the emergency department physicians.

Normal oculocephalic responses, normal pupillary

reactions, and the absence of other focal signs made

metabolic coma more likely, and the diagnosis was

confirmed by the subsequent findings.

The effectiveness of respiration must be

evaluated repeatedly when metabolic disease

depresses the brain, because the brainstem

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

187


reticular formation is especially vulnerable to

chemical depression. Anoxia, hypoglycemia,

and drugs all are capable of selectively induc-

ing hypoventilation or apnea while concurrently

sparing other brainstem functions such as pu-

pillary responses and blood pressure control.

Acid-Base Changes Accompanying

Hyperventilation During

Metabolic Encephalopathy

Respiration is the first and most rapid defense

against systemic acid-base imbalance. Chemo-

receptors located in the carotid body and aortic

arterial wall, as well as in the lower brainstem,

quickly respond to alterations in the blood of

either hydrogen ion concentration or PCO

2

.



Hypoxia sensitizes peripheral chemoreceptors

and activates central chemoreceptors, but un-

der most circumstances carbon dioxide levels,

which are linked to blood pH, are more im-

portant in determining respiration (see Chap-

ter 2). Table 5–3 lists some causes of abnormal

ventilation in unresponsive patients.

HYPERVENTILATION

In a stuporous or comatose patient, hyper-

ventilation is a danger sign meaning one of

two things: either compensation for metabolic

acidosis or a response to primary respiratory

stimulation (respiratory alkalosis). Metabolic

acidosis and respiratory alkalosis are differen-

tiated by blood biochemical analyses. In the

first instance, the arterial blood pH is low (less

than 7.30 if hyperpnea is to be attributed to

acidosis) and the serum bicarbonate is also low

(usually below 10 mEq/L). In the second case,

the arterial pH is high (over 7.45) and the se-

rum bicarbonate is normal or reduced. In both

primary respiratory alkalosis and metabolic ac-

idosis with respiratory compensation, the ar-

terial carbon dioxide tension (PaCO

2

) is re-


duced, usually below 30 mm Hg. Respiratory

compensation for metabolic acidosis is a nor-

mal brainstem reflex response and, hence, oc-

curs in most cases of metabolic acidosis. Mixed

primary metabolic acidosis and primary respi-

ratory alkalosis (which persists after the aci-

dotic load is removed) also occurs in several

conditions, particularly salicylate toxicity and

hepatic coma. A diagnosis of mixed metabolic

abnormality can be made when the degree of

respiratory or metabolic compensation is ex-

cessive. Table 5–4 lists some of the causes of

hyperventilation in patients with metabolic en-

cephalopathy.

Table 5–3 Some Causes of Abnormal

Ventilation in Unresponsive Patients

I. Hyperventilation

A. Metabolic acidosis

1. Anion gap

Diabetic ketoacidosis*

Diabetic hyperosmolar coma*

Lactic acidosis

Uremia*

Alcoholic ketoacidosis



Acidic poisons*

Ethylene glycol

Propylene glycol

Methyl alcohol

Paraldehyde

Salicylism (primarily in children)

2. No anion gap

Diarrhea


Pancreatic drainage

Carbonic anhydrase inhibitors

NH

4

Cl ingestion



Renal tubular acidosis

Ureteroenterostomy

B. Respiratory alkalosis

Hepatic failure*

Sepsis*

Pneumonia



Anxiety (hyperventilation syndrome)

C. Mixed acid-base disorders (metabolic acidosis

and respiratory alkalosis)

Salicylism

Sepsis*

Hepatic failure*



II. Hypoventilation

A. Respiratory acidosis

1. Acute (uncompensated)

Sedative drugs*

Brainstem injury

Neuromuscular disorders

Chest injury

Acute pulmonary disease

2. Chronic pulmonary disease*

B. Metabolic alkalosis

Vomiting or gastric drainage

Diuretic therapy

Adrenal steroid excess (Cushing’s

syndrome)

Primary aldosteronism

Bartter’s syndrome

*Common causes of stupor or coma.

188


Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

Metabolic acidosis sufficient to produce

coma and hyperpnea has four important

causes: uremia, diabetes, lactic acidosis (anoxic

or spontaneous), and the ingestion of poisons

that are acidic or have acidic breakdown prod-

ucts (Table 5–4).

In any given patient, a quick and accurate

selection can and must be made from among

these disorders. Diabetes and uremia are di-

agnosed by appropriate laboratory tests, and di-

abetic acidosis is confirmed by identifying se-

rum ketonemia. It is important to remember

that severe alcoholics without diabetes occa-

sionally can develop ketoacidosis after pro-

longed drinking bouts.

21

An important obser-



vation is that diabetics, especially those who

have been treated with the oral hypoglycemic

agent metformin, are subject to lactic acidosis

as well as to diabetic ketoacidosis, but in the

former condition ketonemia is lacking.

22

If di-



abetes and uremia are eliminated in a patient

as causes of acidosis, it can be inferred either

that he or she has spontaneous lactic acidosis

or has been poisoned with an exogenous toxin

such as ethylene glycol, propylene glycol (which

is metabolized to a racemic mixture of lactate),

methyl alcohol, or decomposed paraldehyde.

Anoxic lactic acidosis would be suspected only

if anoxia or shock was present, and even then

severe anoxic acidosis is relatively uncom-

mon. Although laboratory tests can identify and

quantify the ingested agents, these tests are

not usually immediately available (see Chapter

7). However, the toxins are osmotically active

and measurement of serum osmolality can de-

tect the presence of an osmotically active sub-

stance, indicating exposure to a toxic agent.

23

Severe toxic alcohol poisonings can be treated



with fomepizole and, if necessary in patients

with renal failure, hemodialysis.

24

One report



suggests that diethylene glycol poisoning can

cause delayed neurologic sequelae including

cranial neuropathies and bulbar palsy.

25

The treatment of metabolic acidosis depends



first on treating the inciting factor. Intravenous

bicarbonate is indicated to treat hyperkalemia

and to help clear acidic toxins from cells. Bicar-

bonate does not appear helpful in treating dia-

betic ketoacidosis.

20

Sustained respiratory alkalosis has five im-



portant causes among disorders producing the

picture of metabolic stupor or coma: salicy-

lism, hepatic coma, pulmonary disease, sepsis,

and psychogenic hyperventilation (Table 5–5).

Table 5–4 Pathophysiology of

Metabolic Acidosis

Cause

Rate of Acid



Accumulation

Failure of renal acid

excretion

2–4 mEq/hour

Decreased H

þ

secretion



Distal renal tubular

acidosis


Decreased NH

4

þ



production

Generalized renal

failure

Adrenal insufficiency/



hypoaldosteronism

Loss of bicarbonate and

alkaline equivalents

1–20 mEq/hour

Gastrointestinal

Diarrhea


Pancreatic, biliary, and

enteric drainage

Urinary diversion

Renal


Carbonic anhydrase

inhibitors

Proximal renal tubular

acidosis


Posthypocapnic state

Dilutional acidosis

Addition and/or

overproduction of acid

2–500 mEq/hour

Endogenous

Lactic acidosis

Ketoacidosis

Alcoholic

Starvation

Diabetes

Hereditary metabolic

enzyme disorders

Exogenous

Acid administration

Hydrochloric acid

Ammonium chloride

Cationic amino acids

in total parenteral

nutrition

Toxins converted to acid

Methanol


Ethylene glycol,

propylene glycol

Paraldehyde

Salicylate

From Swenson,

20

with permission.



Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

189


Neurogenic pulmonary edema and central

neurogenic hyperventilation may also cause re-

spiratory alkalosis in patients with metabolic

stupor or coma. As is true with metabolic aci-

dosis, these usually can be at least partially

separated by clinical examination and simple

laboratory measures.

Salicylate poisoning causes a combined re-

spiratory alkalosis and metabolic acidosis that

lowers the serum bicarbonate disproportion-

ately to the degree of serum pH elevation.

Salicylism should be suspected in a stuporous

hyperpneic adult if the serum pH is normal

or alkaline, there is an anion gap, and the se-

rum bicarbonate is between 10 and 14 mEq/L.

Salicylism in children lowers serum bicarbon-

ate still more and produces serum acidosis. A

bedside laboratory test can rapidly establish a

diagnosis of salicylate intoxication,

27

although



usually in an awake patient the positive history

and the presence of respiratory alkalosis are suf-

ficient. A single serum salicylate measurement

may be somewhat misleading, particularly if

the patient has taken enteric-coated tablets

that may delay absorption. Therefore, in a pa-

tient with a suspected salicylate overdose, care-

ful measurements should be done every 3 hours

until levels have peaked. The ingestion of sed-

ative drugs in addition to salicylates may blunt

the hyperpnea and lead to metabolic acidosis, a

picture that may mislead the examiner.

Salicylates directly activate the respiratory

centers of the brainstem, although the mecha-

nism is not known. Acetaminophen poisoning,

more common than salicylate poisoning, may

cause either metabolic acidosis (lactic acidosis)

or respiratory alkalosis resulting from its hepatic

toxicity (see below).

28,29


The treatment includes, where appropriate,

gastric lavage and activated charcoal. Urinary

alkalization helps promote excretion of the drug;

hemodialysis may be necessary if there is renal

failure.

30

Acetylcysteine may limit the degree



of hepatic toxicity by acetaminophen (see Chap-

ter 7).


Hepatic coma, producing respiratory alka-

losis, rarely depresses the serum bicarbonate

below 16 mEq/L, and the diagnosis usually is

betrayed by other signs of liver dysfunction.

The associated clinical abnormalities of liver

disease are sometimes minimal, particularly

with fulminating acute liver failure or when

gastrointestinal hemorrhage precipitates coma

in a chronic cirrhotic patient. Liver function

tests and measurement of arterial ammonia

must be relied upon in such instances.

Sepsis is always associated with hyperventi-

lation, probably a direct central effect of the

cascade of cytokines and prostaglandins initi-

ated by endotoxinemia. In fact, a respiratory

rate of more than 20 breaths per minute, or a

PCO

2

of less than 30 torr, is part of the defini-



tion of sepsis.

31

Early in the course of the illness



the acid-base defect is that of a pure respiratory

alkalosis (HCO

3

greater than 15 mEq/L), but in



critically ill patients, lactic acid later accumu-

lates in the blood and the stuporous patient

usually presents a combined acid-base defect

of respiratory alkalosis and metabolic acidosis

(HCO

3

less than 15 mEq/L). Fever, or in severe



cases hypothermia and hypotension, may ac-

company the neurologic signs and suggest the

diagnosis.

Respiratory alkalosis caused by pulmonary

congestion, fibrosis, or pneumonia rarely de-

presses the serum bicarbonate significantly.

This diagnosis should be considered in hyp-

Table 5–5 Pathophysiology of

Respiratory Alkalosis

Hypoxia


Parenchymal lung disease

Pneumonia

Bronchial asthma

Diffuse interstitial fibrosis

Pulmonary embolism

Pulmonary edema

Medications and mechanical ventilation

Medications

Salicylate

Nicotine


Xanthine

Catecholamines

Analeptics

Mechanical ventilation

Central nervous system disorders

Meningitis, encephalitis

Cerebrovascular disease

Head trauma

Space-occupying lesion

Anxiety


Metabolic

Sepsis


Hormonal

Pyrexia


Hepatic disease

Hyperventilation syndrome

From Foster et al.,

26

with permission.



190

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



oxic, hyperpneic comatose patients who have

normal or slightly lowered serum bicarbonate

levels and no evidence of liver disease.

Psychogenic hyperventilation does not cause

coma, but may cause delirium, and may be pres-

ent as an additional symptom in a patient with

psychogenic ‘‘coma.’’ Severe alkalosis, by itself,

has been reported to cause seizures and coma.

The decreased ionizable calcium complicating

alkalosis may lead to muscle twitching, muscle

spasms, and tetany, as well as positive Chvos-

tek and Trousseau’s signs.

32

Acid-Base Changes Accompanying



Hypoventilation During

Metabolic Encephalopathy

In an unconscious patient, hypoventilation

means either respiratory compensation for met-

abolic alkalosis or respiratory depression with

consequent acidosis. The differential diagnosis

is outlined in Table 5–3. In metabolic alkalosis

the arterial blood pH is elevated (greater than

7.45), as is the serum bicarbonate (greater than

35 mEq/L). In untreated respiratory acidosis

with coma, the serum pH is low (less than 7.35)

and the serum bicarbonate is either normal or

high, depending on prior treatment and how

rapidly the respiratory failure has developed.

The PaCO

2

is always elevated in respiratory



acidosis (usually greater than 55 mm Hg) and

is often elevated in metabolic alkalosis as well

because of respiratory compensation in meta-

bolic alkalosis. In respiratory acidosis, the pH

of the cerebrospinal fluid (CSF) is always low if

artificial ventilation has not been used.

33,34

The


PCO

2

is elevated in respiratory acidosis, and in



metabolic alkalosis with respiratory compen-

sation, but is usually less than 50 mm Hg in

primary metabolic alkalosis and almost invari-

ably rises considerably higher than this when

primary respiratory acidosis causes stupor or

coma. In both disorders, the oxygen tension is

reduced due to hypoventilation. A normal se-

rum bicarbonate level is consistent with un-

treated respiratory acidosis of short duration

but not with metabolic alkalosis.

Metabolic alkalosis results from (1) excessive

loss of acid via gastrointestinal or renal routes, (2)

excessive bicarbonate load, or (3) failure to fully

correct the posthypocapnic state (Table 5–6).

32

To find the specific cause often requires ex-



haustive laboratory analyses, but delirium and

obtundation owing to metabolic alkalosis are

rarely severe and never life threatening, so that

Table 5–6 Pathophysiology of Metabolic Alkalosis

Generation

Examples


1. Loss of acid from extracellular space

Vomiting


A. Loss of gastric fluid (HCI)

Primary aldosteronism and diuretic

administration

B. Acid loss in the urine: increased

distal Na

þ

delivery in presence



of hyperaldosteronism

C. Acid shifts into cells

Potassium deficiency

D. Loss of acid into stool

Congenital chloride-losing diarrhea

2. Excessive HCO

3

loads


A. Absolute

1. Oral or parenteral HCO

3

Milk alkali syndrome



2. Metabolic conversion of the salts of

organic acids in HCO

3

1

Lactate, acetate, or citrate



administration (especially in

conditions with underlying liver

disease)

B. Relative

NaHCO

3

dialysis



3. Posthypercapnic states

Correction of chronic hypercapnia in

presence of low-salt diet or in a

patient with congestive heart

failure

From Khanna and Kurtzman,



32

with permission

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

191


time exists for careful diagnostic considerations.

Respiratory compensation from metabolic al-

kalosis leads to hypocapnia, but the PCO

2

rarely



is higher than 50 torr. Higher levels suggest

coexistent pulmonary disease.

35

Respiratory acidosis is a more pressing prob-



lem,

36

caused by either severe pulmonary or



neuromuscular disease (peripheral respiratory

failure) or by depression of the respiratory cen-

ter (central respiratory failure) (Table 5–7).

Both causes induce hypoxia as well as CO

2

retention. Chest examinations almost always



can differentiate neuromuscular from pulmo-

nary disease, and the presence of tachypnea

distinguishes pulmonary or peripheral neuro-

muscular failure from central failure with its

irregular or slow respiratory patterns. Severe

respiratory acidosis of any origin is best treated

by artificial ventilation. Acute respiratory aci-

dosis causes encephalopathy, sometimes asso-

ciated with headache, which may reflect intra-

cranial vasodilation. If the PCO

2

exceeds 70



torr, the patient may become stuporous or

comatose. If awake, there may be asterixis,

myoclonus, and sometimes papilledema, the

last resulting from increased intracranial pres-

sure (ICP) due to the carbon dioxide-induced

cerebral vasodilation.

PUPILS

Among patients in deep coma, the state of the



pupils becomes the single most important cri-

terion that clinically distinguishes between

metabolic and structural disease. The presence

Table 5–7 Pathophysiology of Respiratory Acidosis

Acute

Chronic


Acute central nervous system depression

Central sleep apnea

Drug overdose (benzodiazepines,

narcotics, barbiturates,

Primary alveolar

hypoventilation

propofol, major tranquilizers)

Obesity hypoventilation

Head trauma

syndrome


Cerebrovascular accident

Spinal cord injury

Central nervous system infection

(encephalitis)

Diaphragmatic paralysis

Acute neuromuscular disease

Amyotrophic lateral sclerosis

Guillain-Barre´ syndrome

Myasthenia gravis

Spinal cord injury

Muscular dystrophy

Myasthenic crisis

Multiple sclerosis

Botulism


Poliomyelitis

Organophosphate poisoning

Hypothyroidism

Acute airways disease

Kyphoscoliosis

Status asthmaticus

Thoracic cage disease

Upper airway obstruction (laryngospasm,

angioedema, foreign body aspiration

Chronic obstructive

pulmonary disease

Exacerbation of chronic obstructive

pulmonary disease

Severe chronic interstitial lung

disease

Acute parenchymal and vascular disease



Cardiogenic pulmonary edema

Acute lung injury

Multilobular pneumonia

Massive pulmonary embolism

Acute pleural or chest wall disease

Pneumothorax

Hemothorax

Flail chest

From Epstein and Singh,

36

with permission.



192

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



of preserved pupillary light reflexes, despite

concomitant respiratory depression, vestibulo-

ocular caloric unresponsiveness, decerebrate

rigidity, or motor flaccidity, suggests metabolic

coma. Conversely, if asphyxia, anticholinergic

or glutethimide ingestion, or pre-existing pu-

pillary disease can be ruled out, the absence of

pupillary light reflexes strongly implies that the

disease is structural rather than metabolic.

Pupils cannot be considered conclusively

nonreactive to a light stimulus unless care has

been taken to examine them with magnifica-

tion using a very bright light and maintaining

the stimulus for several seconds. Infrared pu-

pillometry is more reliable than the flash-

light.


38

Ciliospinal reflexes are less reliable than

light reflexes but, like them, are usually pre-

served in metabolic coma even when motor and

respiratory signs signify lower brainstem dys-

function.

37

OCULAR MOTILITY



The eyes usually rove randomly with mild met-

abolic coma and come to rest in the forward

position as coma deepens. Although almost any

eye position or random movement can be ob-

served transiently when brainstem function is

changing rapidly, a maintained conjugate lat-

eral deviation or dysconjugate positioning of the

eyes at rest suggests structural disease. Conju-

gate downward gaze, or occasionally upward

gaze, can occur in metabolic as well as in struc-

tural disease and by itself is not helpful in the

differential diagnosis.

39

HISTORICAL VIGNETTE



Patient 5–2

A 63-year-old woman with severe hepatic cir-

rhosis and a portacaval shunt was found in coma.

She groaned spontaneously but otherwise was un-

responsive. Her respirations were 18 per minute

and deep. The pupillary diameters were 4 mm on

the right and 3 mm on the left, and both reacted to

light. Her eyes were deviated conjugately down-

ward and slightly to the right. Oculocephalic re-

sponses were conjugate in all directions. Her mus-

cles were flaccid, but her stretch reflexes were brisk

and more active on the right with bilateral extensor

plantar responses. No decorticate or decerebrate

responses could be elicited. Her arterial blood pH

was 7.58, and her PaCO

2

was 21 mm Hg. Two days



later she awoke, at which time her eye movements

were normal. Four days later she again drifted into

coma, this time with the eyes in the physiologic

position and with sluggish but full oculocephalic

responses. She died on the sixth hospital day with

severe hepatic cirrhosis. No structural central ner-

vous system (CNS) lesion was found at autopsy.

Comment: This patient was seen prior to the

availability of computed tomography (CT) scan-

ning, but the later autopsy confirmed the clinical

impression that these focal abnormalities were

due to her liver failure, not a structural lesion. The

initial conjugate deviation of the eyes downward

and slightly to the right had suggested a deep,

right-sided cerebral hemispheric mass lesion. But

the return of gaze to normal with awakening within

24 hours and nonrepetition of the downward de-

viation when coma recurred ruled out a structural

lesion. At autopsy, no intrinsic cerebral pathologic

lesion was found to explain the abnormal eye

movements. We have observed transient down-

ward as well as transient upward deviation of the

eyes in other patients in metabolic coma.

Because reflex eye movements are particu-

larly sensitive to depressant drugs, cold caloric

stimulation often provides valuable informa-

tion about the depth of coma in patients with

metabolic disease. The ocular response to pas-

sive head movement is less reliable than the

caloric test, as absence of oculocephalic re-

sponses may imply purposeful inhibition of the

reflex and does not dependably distinguish

psychogenic unresponsiveness from brainstem

depression. Cold caloric stimulation produces

tonic conjugate deviation toward the irrigated

ear in patients in light coma and little or no

response in those in deep coma. If caloric stim-

ulation evokes nystagmus, cerebral regulation

of eye movements is intact and the impair-

ment of consciousness is either very mild or the

‘‘coma’’ is psychogenic. If the eyes spontane-

ously deviate downward following lateral devia-

tion, one should suspect drug-induced coma.

39

Finally, if caloric stimulation repeatedly pro-



duces dysconjugate eye movements, structural

brainstem disease should be suspected (but see

Chapter 2).

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

193


Patient 5–3

A 20-year-old woman became unresponsive while

riding in the back seat of her parents’ car. There

was no history of previous illness, but her parents

stated that she had severe emotional problems. On

examination, her vital signs and general physical

examination were normal. She appeared to be

asleep when left alone, with quiet shallow respi-

ration and no spontaneous movements. Her pupils

were 3 mm and reactive. Oculocephalic responses

were absent. She lay motionless to noxious stimuli

but appeared to resist passive elevation of her

eyelids. Cold caloric testing elicited tonic devia-

tion of the eyes with no nystagmus. Blood and

urine toxicology screens were positive for barbi-

turates, and she awoke the next morning and ad-

mitted ingesting a mixture of sedative drugs to

frighten her mother.

Comment: The coma in this patient initially

appeared light or even simulated. However, tonic

deviation of the eyes in response to cold caloric

irrigation signified that normal cerebral control of

eye movements was impaired and indicated that

her unresponsiveness was the result of organic, but

probably toxic or metabolic, and not structural

brain dysfunction. Toxicology screening discov-

ered at least one cause, but drug overdosages are

often mixed, and not all of the components may be

picked up on screening.

MOTOR ACTIVITY

Patients with metabolic brain disease generally

present two types of motor abnormalities: (1)

nonspecific disorders of strength, tone, and re-

flexes, as well as focal or generalized seizures,

and (2)certain characteristic adventitious move-

ments that are almost diagnostic of metabolic

brain disease.

‘‘Nonspecific’’ Motor

Abnormalities

Diffuse motor abnormalities are frequent in

metabolic coma and reflect the degree and

distribution of CNS depression (Chapter 1).

Paratonia and snout, suck, or grasp reflexes may

be seen in dementia, as well as in patients in

light coma. With increasing brainstem depres-

sion, flexor and extensor rigidity and sometimes

flaccidity appear. The rigid states are sometimes

asymmetric.

Patient 5–4

A 60-year-old man was found in the street, stu-

porous, with an odor of wine on his breath. No

other history was obtainable. His blood pressure

was 120/80 mm Hg, pulse rate 100 per minute,

and respirations 26 per minute and deep. After

assessing radiographically for cervical spine in-

jury, his neck was found to be supple. There was

fetor hepaticus and the skin was jaundiced. The

liver was palpably enlarged. He responded to

noxious stimuli only by groaning. There was no

response to visual threat. His left pupil was 5 mm,

the right pupil was 3 mm, and both reacted to

light. The eyes diverged at rest, but passive head

movement elicited full conjugate ocular move-

ments. The corneal reflexes were decreased but

present bilaterally. There was a left facial droop.

The gag reflex was present. He did not move

spontaneously, but grimaced and demonstrated

extensor responses to noxious stimuli. The limb

muscles were symmetrically rigid and stretch re-

flexes were hyperactive. The plantar responses

were extensor. An emergency CT scan was nor-

mal. The lumbar spinal fluid pressure was 120

mm/CSF and the CSF contained 30 mg/dL protein

and one white blood cell. The serum bicarbonate

was 16 mEq/L, chloride 104 mEq/L, sodium 147

mEq/L, and potassium 3.9 mEq/L. Liver function

studies were grossly abnormal.

The following morning he responded appropri-

ately to noxious stimulation. Hyperventilation had

decreased, and the extensor posturing had dis-

appeared. Diffuse rigidity, increased deep tendon

reflexes, and bilateral extensor plantar responses

remained. Improvement was rapid, and by the

fourth hospital day he was awake and had normal

findings on neurologic examination. However, on

the seventh hospital day his blood pressure de-

clined and his jaundice increased. He became

hypotensive on the ninth hospital day and died.

The general autopsy disclosed severe hepatic cir-

rhosis. An examination of the brain revealed old

infarcts in the frontal lobes and the left inferior

cerebellum. There were no other lesions.

Comment: In this patient, the signs of liver dis-

ease suggested the diagnosis of hepatic coma. At

first, however, anisocoria and decerebrate rigidity

194


Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

hinted at a supratentorial mass lesion such as

a subdural hematoma. The normal pupillary and

oculocephalic reactions favored metabolic disease

and the subsequent CT scan and absence of signs

of rostral-caudal deterioration supported that di-

agnosis.


Focal weakness is surprisingly common with

metabolic brain disease. Several of our patients

with hypoglycemia or hepatic coma were tran-

siently hemiplegic, and several patients with

uremia or hyponatremia had focal weakness of

upper motor neuron origin. Others have re-

ported similar findings.

40,41


HISTORICAL VIGNETTE

Patient 5–5

A 37-year-old man had been diabetic for 8 years.

He received 35 units of protamine zinc insulin

each morning in addition to 5 units of regular in-

sulin when he believed he needed it. One week

before admission he lost consciousness transiently

upon arising, and when he awoke, he had a left

hemiparesis, which disappeared within seconds.

The evening before admission the patient had re-

ceived 35 units of protamine zinc and 5 units of

regular insulin. He awoke at 6 a.m. on the floor

and was soiled with feces. His entire left side was

numb and paralyzed. His pulse was 80 per min-

ute, respirations 12, and blood pressure 130/80

mm Hg. The general physical examination was

unremarkable. He was lethargic but oriented. His

speech was slurred. There was supranuclear left

facial paralysis and left flaccid hemiplegia with

weakness of the tongue and the trapezius muscles.

There was a left extensor plantar response but no

sensory impairment. The blood sugar was 31 mg/

dL. EEG was normal with no slow-wave focus. He

was given 25 g of glucose intravenously and re-

covered fully in 3 minutes.

Comment: This patient, who was seen prior to

the availability of CT scanning, provides a closer

look at the range of physical signs and EEG phe-

nomena that may occur in hypoglycemia. Today,

fingerstick glucose testing would have occurred

much earlier, often before reaching the hospital,

and the physician rarely gets to see such cases. In

this man, the occurrence of a similar brief attack of

left hemiparesis a week previously suggested right

carotid distribution infarction initially.

41

How-



ever, the patient was a little drowsier than expected

with an uncomplicated unilateral carotid stroke in

which the damage was apparently rather limited.

The fact that his attack might have begun with

unconsciousness and the fecal staining made his

physicians suspect a seizure. However, hypogly-

cemia also can cause unconsciousness as well as

focal signs in conscious patients. After treatment

of the low glucose, the hemiplegia cleared rapidly.

Patients with metabolic brain disease may

have either focal or generalized seizures that

can be indistinguishable from the seizures of

structural brain disease. However, when met-

abolic encephalopathy causes focal seizures,

the focus tends to shift from attack to attack,

something that rarely happens with structural

seizures. Such migratory seizures are espe-

cially common and hard to control in uremia.

Motor Abnormalities Characteristic

of Metabolic Coma

Tremor, asterixis, and multifocal myoclonus are

prominent manifestations of metabolic brain

disease; they are less commonly seen with focal

structural lesions unless these latter have a toxic

or infectious component.

The tremor of metabolic encephalopathy is

coarse and irregular and has a rate of 8 to 10

per second. Usually these tremors are absent at

rest and, when present, are most evident in the

fingers of the outstretched hands. Severe trem-

ors may spread to the face, tongue, and lower

extremities, and frequently interfere with pur-

poseful movements in agitated patients such as

those with delirium tremens. The physiologic

mechanism responsible for this type of tremor

is unknown. It is not seen in patients with uni-

lateral hemispheric or focal brainstem lesions.

First described by Adams and Foley

42

in pa-


tients with hepatic coma, asterixis is now known

to accompany a wide variety of metabolic brain

diseases and even some structural lesions.

43

Asterixis was originally described as a sudden



palmar flapping movement of the outstretched

hands at the wrists.

44

It is most easily elicited in



lethargic but awake patients by directing them

to hold their arms outstretched with hands

dorsiflexed at the wrist and fingers extended

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

195


and abducted (i.e., ‘‘stopping traffic’’). Incipi-

ent asterixis comprises a slight irregular tremor

of the fingers, beginning after a latent period of

2 to 30 seconds that is difficult to distinguish

from the tremor of metabolic encephalopathy.

Leavitt and Tyler

45

have described the two sep-



arate components of this tremulousness. One is

an irregular oscillation of the fingers, usually in

the anterior-posterior direction but with a ro-

tary component at the wrist. The second con-

sists of random movements of the fingers at the

metacarpal-phalangeal joints. This second pat-

tern becomes more and more marked as the pa-

tient holds his or her wrist dorsiflexed until fi-

nally the fingers lead the hand into a sudden

downward jerk followed by a slower return to

the original dorsiflexed position. Both hands

are affected, but asynchronously, and as the

abnormal movement intensifies, it spreads to

the feet, tongue, and face (dorsiflexion of the

feet is often an easier posture for obtunded

patients to maintain). Indeed, with severe met-

abolic tremors it sometimes becomes difficult

to distinguish between intense asterixis and

myoclonus, and there is some evidence that the

two types of movements represent the same

underlying phenomena (sudden and transient

loss of muscle tone followed by sudden com-

pensation). Asterixis is generally seen in awake

but lethargic patients and generally disappears

with the advent of stupor or coma, although

occasionally one can evoke the arrhythmic con-

traction in such subjects by passively dorsi-

flexing the wrist. Asterixis can also be elicited

in stuporous patients by passively flexing and

abducting the hips.

46

Flapping abduction-



adduction movements occurring either syn-

chronously or asynchronously suggest meta-

bolic brain disease (Figure 5–1).

Unilateral, or less commonly bilateral, aster-

ixis has been described in patients with focal

brain lesions.

43

Electromyograms recorded dur-



ing asterixis show a brief absence of muscular

activity during the downward jerk followed by

Figure 5–1. (A) Technique of hip flexion-abduction. (B) Electromyographic (EMG) recording from the hip adductors (upper

trace) and accelerometric recording from the patella (lower trace). Brief periods of EMG silence (black dots) are followed by

a burst of high-voltage electrical activity and a striking change in acceleration. (From Noda et al.,

46

with permission.)



196

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



a sudden muscular compensatory contraction,

much like the sudden bobbing of the head that

normally accompanies drowsiness. The sudden

electrical silence is unexplained and not ac-

companied by EEG changes.

42,45,47


Multifocal myoclonus consists of sudden,

nonrhythmic, nonpatterned gross twitching in-

volving parts of muscles or groups of muscles

first in one part of the body, then another, and

particularly affecting the face and proximal limb

musculature. Multifocal myoclonus most com-

monly accompanies uremic encephalopathy, a

large dose of intravenous penicillin, CO

2

nar-


cosis, and hyperosmotic-hyperglycemic en-

cephalopathy. Multifocal myoclonus, in a pa-

tient who is stuporous or in coma, is indicative

of severe metabolic disturbance. However, it

may be seen in some waking patients with neu-

rodegenerative disorders (e.g., Lewy body de-

mentia or Alzheimer’s disease) or prion dis-

orders (Creutzfeldt-Jakob disease and related

disorders). Its physiology is unknown; the mo-

tor twitchings are not always reflected by a

specific EEG abnormality and have, in fact,

been reported in a patient with electrocerebral

silence.

48

DIFFERENTIAL DIAGNOSIS



Distinction Between Metabolic

and Psychogenic Unresponsiveness

In awake patients, differences in the mental

state, the EEG, the motor signs, and, occasion-

ally, the breathing pattern distinguish meta-

bolic from psychiatric disease. Most conscious

patients with metabolic brain disease are con-

fused and many are disoriented, especially for

time. Their abstract thinking is defective; they

cannot concentrate well and cannot easily re-

tain new information. Early during the illness,

the outstretched dorsiflexed hands show irreg-

ular tremulousness and, frequently, asterixis.

Snout, suck, and grasp reflexes are seen. The

EEG is generally slow. Posthyperventilation

apnea may be elicited and there may be hy-

poventilation or hyperventilation, depending

on the specific metabolic illness. By contrast,

awake patients with psychogenic illness, if they

will cooperate, are not disoriented and can re-

tain new information. If they seem disoriented,

they are disoriented to self (i.e., they report

that they don’t know who they are) as well as to

time and place; disorientation to self almost

never occurs in delirious patients. They also lack

abnormal reflexes or adventitious movements,

although they may have irregular tremor, and

they have normal EEG frequencies. Ventila-

tory patterns, with the exception of psychogenic

hyperventilation, are normal.

Unresponsive patients with metabolic dis-

ease have even slower activity in their EEGs

than responsive patients with metabolic disease,

and caloric vestibulo-ocular stimulation elicits

either tonic deviation of the eyes or, if the pa-

tient is deeply comatose, no response. Psycho-

genically unresponsive patients have normal

EEGs and a normal response to caloric irriga-

tion, with nystagmus having a quick phase away

from the side of ice water irrigation; there is

little or no tonic deviation of the eyes (see page

65). In some patients with psychogenic coma,

the eyes deviate toward the ground when the

patient is placed on his or her side.

49

Forced


downward deviation of the eyes has been de-

scribed in patients with psychogenic seizures.

50

Distinction Between Coma of



Metabolic and Structural Origin

As discussed in Chapter 2, the key to distin-

guishing coma of metabolic versus structural

origin is to identify focal neurologic signs that

distinguish structural coma. On the other hand,

certain characteristic motor and EEG findings

can help confirm the diagnosis of a metabolic

encephalopathy when patients are merely ob-

tunded or lethargic. Most patients with meta-

bolic brain disease have diffusely abnormal

motor signs including tremor, myoclonus, and,

especially, bilateral asterixis. The EEG is dif-

fusely, but not focally, slow. The patient with

gross structural disease, on the other hand,

generally has abnormal focal motor signs and

if asterixis is present, it is unilateral. The EEG

may be slow, but in addition with supraten-

torial lesions, a focal abnormality will usually

be present.

Finally, metabolic and structural brain dis-

eases are distinguished from each other by a

combination of signs and their evolution. Co-

matose patients with metabolic brain disease

usually suffer from partial dysfunction affect-

ing many levels of the neuraxis simultaneously,

yet concurrently retain the integrity of other

Multifocal, Diffuse, and Metabolic Brain Diseases Causing Delirium, Stupor, or Coma

197


functions originating at the same levels. The or-

derly rostral-caudal deterioration that is char-

acteristic of supratentorial mass lesions does not

occur in metabolic brain disease, nor is the an-

atomic defect regionally restricted as it is with

subtentorial damage.

ASPECTS OF CEREBRAL

METABOLISM PERTINENT

TO COMA

Earlier chapters of this book have described the



physiologic relationships among the brainstem,

the diencephalon, and the cerebral hemispheres

that underlie the wakeful state and normally

generate the psychologic activities that consti-

tute full consciousness. The brain’s sensori-

motor and mental activities are closely coupled

to cerebral metabolism so that neurochemical

impairment or failure from any cause is likely to

produce rapidly evolving neurologic abnor-

malities.

Neurons and glial cells undergo many che-

mical processes in fulfilling their specialized

functions. The nerve cells must continuously

maintain their membrane potentials, synthe-

size and store transmitters, manufacture axo-

plasm, and replace their always decaying struc-

tural components (Figure 5–2). Glia, which

constitute 90% of the brain’s cells, have several

functions, some of which have been recently

recognized.

51,52

The oligodendroglial cells have



as their major role the generation and main-

tenance of myelin. Microglia (macrophages)

are the brain’s immune cells. Astrocytes reg-

ulate much of the ion homeostasis of the brain’s

extracellular fluid. In addition, they may aid

neuronal function by supplying substrate (lac-

tate)

51

(although the degree, if any, to which



neurons metabolize lactate in vivo is contro-

versial


53

). Astrocytes also participate in con-

trolling blood flow

52

and in maintaining the



blood-brain barrier.

54

All of these complex ac-



tivities require energy, in fact, more of it per

kilogram weight of cells than in any other or-

gan in the body. Furthermore, many of the

enzymatic reactions of both neurons and glial

cells, as well as of the specialized cerebral cap-

illary endothelium, must be catalyzed at some

point by the energy-yielding hydrolysis of

adenosine triphosphate (ATP) to adenosine

diphosphate (ADP) and inorganic phosphate.

Without a constant and generous supply of

ATP, cellular synthesis slows or halts, neuro-

nal functions decline or cease, and cell struc-

tures quickly crumble.

Oxygen, glucose, and cerebral blood flow

(CBF) operate interdependently to supply the

brain with the substrate and cofactors it re-

quires to carry out the chemical reactions that

generate its energy and synthesize its structural

components. Awake or asleep, the brain metab-

olizes at one of the highest rates of any organ in

the body. However, although the overall me-

tabolism of the brain is relatively constant, dif-

ferent areas of the brain metabolize at differ-

ent rates, depending on how active an area is.

55

For example, during exercise, the activity of the



motor cortex increases dramatically, compen-

sated for by decreased metabolism elsewhere

in the brain.

56

Changes in regional metabolism



are best demonstrated by functional magnetic

resonance imaging (MRI) or positron emission

tomography (PET) imaging (Figure 5–3). The

brain suffers a special vulnerability in that it

possesses almost no reserves of its critical nu-

trients, so that even a brief interruption of blood

flow or oxygen supply threatens the tissue’s vi-

tality. These considerations are central to an

understanding of many of the metabolic en-

cephalopathies, and the following paragraphs

discuss them in some detail.

CEREBRAL BLOOD FLOW

Under normal resting conditions, the total CBF

in man is about 55 mL/100 g/minute, an amount

that equals 15% to 20% of the resting cardiac

output. A number of studies have found that the

overall CBF remains relatively constant during

the states of wakefulness or slow-wave sleep

as well as in the course of various mental and

physical activities. PET and functional MRI

scanning reveal that this apparent uniformity

masks a regionally varying and dynamically fluc-

tuating CBF, which is closely adjusted to meet

the metabolic requirements posed by local phys-

iologic changes in the brain. Overall flow in gray

matter, for example, is normally three to four

times higher than in white matter.

55

When neural activity increases within a re-



gion, cerebral metabolism increases to meet

the increased demand.

57

Cerebral metabolic



rate for glucose and CBF each increase about

50% in the active area, whereas the metabolic

rate for oxygen increases only about 5%.

57

198



Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

glutamate

GLUTAMATE

GLUCOSE

2 LACTATE



GLUTAMINE

Vm

A



B

glutamatergic synapse

PYRUVATE

PYRUVATE


LACTATE

GLUCOSE


LACTATE

LACTATE


astrocyte

capillary

glutamate receptors

neuron


astrocyte

EAAT 1 & 2

capillary

glutamate

aspartale

GABA


TCA

cycle


LDH

1

Na



+

/K

+



ATPase

ATP


ADP

2 K


+

ATP


ADP

PGK


3 Na

+

Na



+

Ca

2+



G

G

glycolysis



GLUCOSE

glycolysis

LDH

5

GLUCOSE



MCT

1 & 2


energy

Figure 5–2. (A) Schematic representation of the mechanism for glutamate-induced glycolysis in astrocytes during

physiologic activation. At glutamatergic synapses, presynaptically released glutamate depolarizes postsynaptic neurons by

acting at specific receptor subtypes. The action of glutamate is terminated by an efficient glutamate uptake system located

primarily in astrocytes. Glutamate is cotransported with Na

þ

, resulting in an increase in the intra-astrocytic concentration



of Na

þ

, leading to an activation of the astrocyte Na



þ

/K

þ



-ATPase. Activation of the Na

þ

/K



þ

-ATPase stimulates glycolysis

(i.e., glucose use and lactate production). Lactate, once released by astrocytes, can be taken up by neurons and serves

them as an adequate energy substrate. (For graphic clarity, only lactate uptake into presynaptic terminals is indicated.

However, this process could also occur at the postsynaptic neuron.) This model, which summarizes in vitro experimental

evidence indicating glutamate-induced glycolysis, is taken to reflect cellular and molecular events occurring during

activation of a given cortical area. (B) Schematic representation of the proposed astrocyte-neuron lactate shuttle. Fol-

lowing neuronal activation and synaptic glutamate release, glutamate reuptake into astrocytes triggers increased glucose

uptake from capillaries via activation of an isoform of the Na

þ

/K



þ

-ATPase, which is highly sensitive to ouabain, possibly

the alpha-2 isoform (Pellerin and Magistretti 1994, 1997). Glucose is then processed glycolytically to lactate by astrocytes

that are enriched in the muscle form of lactate dehydrogenase (LDH

5

). The exchange of lactate between astrocytes and



neurons is operated by monocarboxylate transporters (MCTs). Lactate is then converted to pyruvate since neurons contain

the heart form of LDH (LDH

1

). Pyruvate, via the formation of acetyl-CoA by pyruvate dehydrogenase (PDH), enters the



tricarboxylic acid (TCA) cycle, thus generating 17 adenosine triphosphate (ATP) molecules per lactate molecule. ADP,

adenosine diphosphate. (From Magistretti and Pellerin,

58

with permission.)



199

Thus, the oxygen extraction falls, increasing

the concentration of oxyhemoglobin in venous

blood. This is the basis for the blood oxygena-

tion level dependent (BOLD) signal obtained

using functional MRI. The increase in glucose

metabolism over oxygen metabolism results in

increased lactate production, possibly the sub-

strate for the increased demand of neurons

58

(Figure 5–4). The stimulus for the increase in



regional CBF is complex.

59

A number of vaso-



active substances are released by neurons and

glia during increased neural activity. Important

among these are adenosine, nitric oxide, dopa-

mine, acetylcholine, vasoactive intestinal poly-

peptide, and arachidonic acid metabolites.

59

Several pathologic states of brain are marked



by a disproportionately high rate of local blood

flow in relation to metabolism. Examples of

such reactive hyperemia or ‘‘uncoupling’’ of

flow and metabolism occur in areas of trau-

matic or postischemic tissue injury, as well as in

regions of inflammation or in the regions sur-

rounding certain brain tumors. So far, the na-

ture of the local stimulus to such pathologic

vasodilation also has eluded investigators. The

effects of the process, however, can act to in-

crease the bulk of the involved tissue and

thereby accentuate the pathologic effects of

compartmental swelling in the brain, as dis-

cussed in Chapter 2.

Reduced CBF has several causes. As de-

scribed in Chapter 3, the cerebral vasculature’s

capacity for autoregulation protects the CBF

against all but the most profound drops in

systemic blood pressure. The process of auto-

regulation also means that conditions causing

a lowered cerebral metabolism are usually

accompanied by a secondary fall in CBF, al-

though in many such cases the initial decline in

CBF is less than the metabolic reduction.

60

This delayed response may reflect the rela-



tively slow adaptation of the tonic contractile

state of vascular smooth muscle rather than a

true uncoupling of flow and metabolism. In-

trinsic arterial spasm in cerebral vessels, which

reduces tissue flow below metabolic needs, is

an uncommon phenomenon limited largely to

arteries at the base of the brain (e.g., with lo-

cal surgical trauma as well as with subarach-

noid bleeding and sometimes with meningitis

[see Chapter 4]). Multifocal cerebral arteriolar

spasm had been invoked to explain the re-

gional cerebral vascular injury of malignant

hypertension; recent work, however, offers a

different interpretation of the pathogenesis

of that disorder (see page 168).

Primary reductions in CBF can be regional or

general (global). Regional impairments of CBF

results from intrinsic diseases of the cervical

and cerebral arteries (atherosclerosis, throm-

bosis, and, rarely, inflammation), from arterial

embolism, and from the extrinsic pressure on

individual cerebral arteries produced by com-

partmental herniation. General or global reduc-

tions in CBF result from systemic hypotension,

complete or functional cardiac arrest (e.g., ven-

tricular arrhythmias in which output falls below

requirements of brain perfusion), and increased

ICP. As noted earlier in this volume, however,

unless some primary abnormality of brain tissue

acts to increase regional vascular resistance, an

increase in the ICP must approach the systemic

systolic pressure before the CBF declines suf-

ficiently to cause recognizable changes in neu-

rologic functions.

Figure 5–3. A functional magnetic resonance imaging

scan of the normal individual flexing and extending his

fingers. Blood flow increases to a greater degree than

oxygen consumption in the motor areas, leading to an

increase in oxyhemoglobin. The paramagnetic oxyhemo-

globin causes an increased blood oxygen level-dependent

signal in the motor cortex bilaterally. (Image courtesy

Dr. Andrei Holodny.)

200

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



Cessation of blood flow to the brain (ische-

mia), as discussed in subsequent paragraphs,

appears to cause a greater risk of irreversible

tissue damage than does even a profound re-

duction in the arterial oxygen tension (anox-

emia). The precise lower level of arterial per-

fusion required to maintain the vitality of the

tissue in man is not known. Extrapolations based

on animal experiments suggest that the CBF of

20 mL/100 g of brain per minute causes loss

of consciousness but not permanent damage.

If the flow falls to 10 mL/100 g/minute, mem-

brane integrity is lost and calcium influx into

the cells leads to irreversible damage. Time is

also an important factor. Flows of 18 mL can

be tolerated for several hours without leading

to infarction, whereas flows of 5 mL lasting for

more than 30 minutes will cause infarction.

61

K

+



tCa

2

+



tCa

2

+



tCa

2

+



K

+

 siphoning



Ca

2

+



waves

P2Y



Yüklə 9,02 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   ...   31   32   33   34   35   36   37   38   ...   73




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

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin