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



Yüklə 9,02 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə37/73
tarix09.02.2017
ölçüsü9,02 Mb.
#8080
1   ...   33   34   35   36   37   38   39   40   ...   73


depressed to essentially functionless levels by

anesthetic depressant drugs, yet lose none of its

capacity for total recovery when the anesthetic

disappears. Several investigators have demon-

strated that experimental animals and humans

can be resuscitated to full functional activity

after periods of deep anesthesia producing

hours to days of isoelectric EEG flattening.

101

This tolerability is used clinically in cases of



status epilepticus to prevent continuous seizure

activity from damaging the brain. A corollary is

that in cases of coma due to sedative overdose,

the depth and duration of coma are not indic-

ative of the potential for recovery of function.

In animal experiments, general anesthesia,

either before or within a few hours of an is-

chemic insult to the brain, protects against

brain damage when measured a few days af-

ter the insult. However, at 3 weeks there is no

difference in the degree of neuronal damage

between the anesthetized animals and those

treated without anesthesia,

102,103


indicating no

protection against the delayed effects of anoxia

(see page 219).

Clinical experience with barbiturate anes-

thesia and drug poisoning indicates that given

good medical care, most patients usually survive

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

205


anesthesia, even profound suppression of neu-

ral activity resulting from self-administered bar-

biturates or other sedative drugs. Even when

coma is so deep that artificial respiration must

be provided for several days and the blood

pressure supported by vasopressor agents for

a week or more, patients can awaken with no

apparent or measurable impairment of brain

function. Hence, it is critical to determine the

presence of sedative overdose when evaluating

the prognosis of a patient in coma, even those

with other causes of coma.

The complete reversibility of anesthetic

coma, plus the low metabolic rate that accom-

panies deep anesthesia, has inspired efforts to

determine whether barbiturate anesthesia can

minimize the expected extent of postanoxic is-

chemic brain damage. Barbiturates also scav-

enge free radicals from reoxygenated tissue,

but it remains to be proved that this represents

an important biologic function in resuscitation.

On the other hand, phenobarbital also induces

cytochrome P450, which serves as a source of

reactive oxygen species. Whether these oppo-

site effects help, hurt, or have no effect on the

brain is unclear.

104,105

Of some interest, a ran-



domized trial of neonates with hypoxic-

ischemic encephalopathy indicates that phe-

nobarbital in a dose of 20 mg/kg given intra-

venously within 6 hours of birth in term and

near-term neonates was associated with a de-

crease in lipid peroxides. There was also a de-

crease in antioxidant enzymes and antioxidant

vitamins in the CSF. A trend suggested that

lower levels of lipid peroxides in the CSF were

associated with a better outcome.

106

Barbitu-


rate coma is effective in controlling intractable

status epilepticus, but its role in any other brain

injury is, at this writing, uncertain.

101


Barbitu-

rate anesthesia has been applied to patients in

coma from head trauma. It lowers ICP, but it is

unclear if it affects outcome.

107

MECHANISMS OF IRREVERSIBLE



ANOXIC-ISCHEMIC BRAIN

DAMAGE


Anoxia, ischemia, and hypoglycemia, although

biologically different,

108

can combine under



several circumstances to damage the brain.

Somewhat different but overlapping patho-

logic changes characterize the irreversible

brain injury caused by each of these three

conditions. Systemic and local circulatory dif-

ferences among them influence the exact ge-

ography and type of cellular response. Similar

changes in the brain mark the postmortem

findings of several conditions, including pa-

tients dying in coma after fatal status epi-

lepticus, carbon monoxide poisoning, or several

of the systemic metabolic encephalopathies.

Global Ischemia

Complete cerebral ischemia, as in cardiac ar-

rest in man, causes loss of consciousness in less

than 20 seconds. Within 5 minutes, glucose and

high-energy phosphate stores are depleted.

Following that the patient, even if successfully

resuscitated, may be left severely brain dam-

aged. This is especially true in elderly pa-

tients who most frequently suffer cardiac ar-

rest because their brains are more vulnerable

to ischemic damage. By definition, during car-

diac arrest the CBF falls to zero. Resuscita-

tion results in transient hyperemia with in-

creased blood flow and oxygen metabolism;

subsequently, both decrease in a heteroge-

neous fashion.

109

In most patients, when blood



flow is re-established, cerebral autoregulation

is either absent or the curve is shifted to the

right, such that CBF begins to fall at a higher

mean arterial pressure than it did before the

cardiac arrest. As a result, it is important to

maintain normal and perhaps slightly elevated

blood pressure after cardiac arrest.

Both vascular and neuronal factors play a role

in the seemingly brief periods of global ischemia

that can damage the brain in clinical circum-

stances. Changes to vascular endothelium dur-

ing the course of ischemia, as well as additional

changes to glial cells (swelling to compress en-

dothelial vessels, viscosity changes in blood),

may lead to poor perfusion once cardiac func-

tion is restored. This so-called ‘‘no-reflow phe-

nomenon’’

110


increases with prolonged duration

of ischemia.

110–112

Loss of autoregulation can



aggravate edema formation, lead to hemor-

rhage, and cause additional neuronal damage,

so-called ‘‘reperfusion injury.’’

113


The combi-

nation of the ischemia and its aftermath results

in neuronal necrosis,

114


particularly in the hip-

pocampus, but if the ischemia is prolonged,

elsewhere in the hemispheres as well.

Although the exact mechanisms are not un-

derstood, it is likely that during the ischemia

206


Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

the loss of high-energy phosphates causes cel-

lular depolarization that induces the release of

glutamate, which in turn causes entry of toxic

levels of calcium into neurons. In the reper-

fusion phase, the restoration of oxidative me-

tabolism probably produces a burst of excess

free radicals that are also cytotoxic.

113


Cardiac arrest can either cause death of

neurons, particularly in vulnerable areas asso-

ciated with reactive astrocytes, or microinfarcts

and areas of pancellular necrosis associated with

perivascular diffuse tissue spongiosis. The lat-

ter lesions appear in a laminar distribution and

are more profound in watershed zones between

the major territories of arterial supply. Both

types of lesions are more intense and hetero-

geneous in patients dying after a period of pro-

longed coma.

115


Particularly vulnerable areas include the oc-

cipital cortex, the frontoparietal cortex, the

hippocampus, the basal ganglia, the thalamic

reticular nucleus, Purkinje cells of the cerebel-

lum, and the spinal cord (Figure 5–5). Laminar

necrosis of the cortex generally involves layers

III and V, which contain the greatest numbers

of large pyramidal cells. The most vulnerable

area is the CA1 region of the hippocampus.

Some patients with lesions restricted to the

CA1 region who recover from cardiac arrest

can develop a residual severe anterograde am-

nesia (see Patient 5–6).

116


Focal Ischemia

Focal ischemia differs from global ischemia in

that it allows for collateral circulation to deliver

at least some blood to the areas surrounding

the area of no perfusion induced by the vas-

cular occlusion. The surrounding area, called

the penumbra,

117


suffers low flow but not cel-

lular death. It is the goal of the physician treat-

ing the patient to try to preserve that area and

return its metabolism to normal. Like global

ischemia, damage can occur either during

the ischemic period or during reperfusion.

118

Schaller and Graf



118

have diagramed a three-

peaked curve presenting times at which the

penumbra is susceptible to tissue damage. The

first occurs during ischemia with damage re-

sulting from oxygen depletion, energy failure,

depolarization of neurons and synapses, and

homeostasis failure. The second occurs after

reperfusion with damage caused by excitotox-

icity as well as disturbed homeostasis. The third

occurs several weeks later with late damage to

neurons and glial cells via both necrosis and

apoptosis. As indicated above, interventions

that appear to ameliorate the first two peaks,

such as the use of anesthetic agents at the time

of ischemia, do not appear to have any effect

on the delayed necrosis.

103


Focal ischemia also differs from global is-

chemia in its therapeutic window. The phy-

sician has minutes to restore circulation in a

patient with cardiac arrest before irreversible

brain damage with a significant neurologic def-

icit occurs. With focal ischemia there is, by def-

inition, collateral blood flow to the surrounding

tissue and often an area of partial ischemia, the

penumbra that surrounds the area of most in-

tense ischemia. The tissue constituting the

penumbra may have blood flow below the level

at which it functions normally, but yet not so

low as to cause immediate infarction. Hence,

there is often a window of time that may persist

Figure 5–5. Computed tomography scan of a comatose

patient after prolonged cardiopulmonary resuscitation. The

scan was taken at a time when the patient was deeply co-

matose but breathing. The brain is swollen, with cortical

sulci virtually obliterated. No signal differentiation can be

seen between gray and white matter. The lentiform nuclei

are hypointense, suggesting basal ganglia infarction. (Scan

courtesy Dr. Sasan Karimi.)

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

207


for several hours, during which the tissue in the

penumbra can be saved; in some cases this will

reduce the area of what would otherwise be

infarcted tissue to the point where there may

be little or no neurologic deficit. The exact time

window undoubtedly varies depending on the

individual vascular anatomy and the nature of

the vascular obstruction, but evidence from

trials of thrombolytic therapy indicates that it

often persists for as long as 3 hours. The time

window may, in fact, be longer, but by 3 hours

the risk of a hemorrhage into the infarcted tis-

sue becomes greater than the benefit from sal-

vaging partially ischemic tissue.

118

Hyperglycemia during reperfusion increases



infarct volume and may cause hemorrhage. It

also reduces the CBF. The mechanism for this

effect is not clear, but it could result from dam-

age to endothelium, increased expression of ad-

hesion molecules, or glycosylation of critical

proteins that lead to vasodilation.

Patient 5–6

A 44-year-old woman was found unconscious in

her room when her husband returned home. He

called for paramedics and she was transported to

the hospital, where a diagnosis of carbon monoxide

poisoning was made. She had a brief period of

cardiac arrest from which she was resuscitated. She

remained first unconscious and then poorly re-

sponsive for about 10 days before recovering.

When she recovered she appeared a little euphoric

but was able to relate to her husband and family in

perfectly logical fashion. She returned home and

tried to go back to work as a college teacher of

Spanish. Unfortunately, she rapidly discovered that

she could not remember where she had parked her

car and could not remember what she was to teach

that day, although once she was involved in teach-

ing, she was able to do relatively well. With careful

preparation of lesson plans in advance and ar-

rangements for her car to be in the same place and

described to her in writing, she was able to con-

tinue to function at the community college.

Hypoxia

Unlike ischemia and hypoglycemia, hypoxia



alone is rarely responsible for brain necrosis.

114


In fact, hypoxic preconditioning of experimen-

tal animals by exposure to moderate hypoxia of

8% to 10% oxygen for 3 hours protects against

cerebral ischemia delivered 1 or 2 days later.

119

Miyamoto and Auer exposed rats to an arterial



PO

2

of 25 torr for 15 minutes and failed to find



necrotic neurons.

114


Unilateral carotid ligation

(ischemia) caused necrosis even in animals ex-

posed to an arterial O

2

of 100 torr. In these



experiments, hypoxia exacerbated the effects of

ischemia. In most situations in humans, hypoxia

leads to either hypotension or cardiac arrest so

that hypoxic insults are for the most part a

mixture of hypoxic and ischemic injury.

Pure hypoxia, such as occurs in carbon

monoxide poisoning, is more likely to lead to

delayed injury to the subcortical structures of

the hemispheres. Typically the damage will

occur 1 to several days after the patient awak-

ens from the hypoxic episode and involves a

characteristic distribution, including the pos-

terior hemispheric white matter and basal gan-

glia, often leaving the patient blind and with a

choreic movement disorder. A similar pattern

of brain injury is seen with a variety of mito-

chondrial encephalopathies and deficits in car-

bohydrate metabolism, suggesting that the in-

jury is due to failure of oxidative metabolism.

The reason that the injury has a predilection

for these sites is unknown, although the neu-

rons in the globus pallidus have a particularly

high constitutive firing rate, and this may pre-

dispose them to hypoxic injury.

EVALUATION OF

NEUROTRANSMITTER CHANGES

IN METABOLIC COMA

Several neurotransmitters control arousal,

sleep-wake cycles, and consciousness. They

are probably also involved in metabolic en-

cephalopathies and their role, where known,

is discussed in the sections below on specific

encephalopathies.

120


Acetylcholine

The cholinergic system described in Chapter 1

plays an important role in consciousness.

121


The nicotinic alpha-4-beta-2 receptor is in-

hibited by clinically relevant doses of volatile

208

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma



anesthetics and ketamine, although whether

the inhibition is clinically relevant is not

clear.

122


However, anticholinergic agents that

cross the blood-brain barrier can cause mem-

ory loss and florid delirium, and anticholiner-

gic medications are an independent risk factor

for delirium in older medical inpatients.

123


Dopamine

Dopamine plays a key role in arousal. A wide

range of stimulant drugs (amphetamine, meth-

ylphenidate, modafinil) are antagonists of the

dopamine reuptake pump, and if mice lack this

dopamine transporter, the drugs do not have a

stimulatory effect. Patients with Parkinson’s

disease have increased sleepiness, as do pa-

tients treated with dopamine antagonists. Par-

adoxically, D2 agonist drugs can also cause

sleepiness. The reason for this puzzling re-

sponse appears to be due to the fact that the

D2 receptor can be either pre- or postsynaptic.

Dopamine has its major stimulatory effects

via postsynaptic receptors, but the D2 receptor

is also found presynaptically on dopamine

terminals, where it down-regulates dopamine

release. Thus, D2 agonist drugs reduce endog-

enous dopamine release. Interestingly, dopa-

mine agonists can cause delirium, whereas

dopamine blockers are often used to treat de-

lirium. Dopamine antagonists also cause EEG

slowing.

124


Dopamine release is increased in

hypoxia at a time when acetylcholine release is

decreased.

120


Gamma-Aminobutyric Acid

As indicated above, the GABA

A

receptor is a



major target of many general anesthetic agents.

Benzodiazepines, which are GABA

A

poten-


tiators, can cause memory loss, delirium,

125


and, rarely, coma.

126


Increased concentra-

tions of endogenous GABA agonists, both

benzodiazepine-like and non-benzodiazepine-

like, have been found in patients with hepatic

encephalopathy.

127


A variety of GABA

B

re-



ceptor agonists, such as baclofen, are also se-

dating. Gamma-hydroxybutyrate (GHB), which

has recently been approved for use in narco-

lepsy, binds both to GABA

B

receptors and



probably to specific GHB receptors. This drug

causes profound impairment of consciousness

and high-voltage delta-wave EEG activity. It

has achieved a reputation as a ‘‘date rape’’ drug

because in lower doses it causes memory loss

and sometimes delirium.

Serotonin

Several investigators have implicated the evo-

lutionary very old serotonin in the pathogen-

esis of delirium. Both high and low levels of

serotonin have been associated with delir-

ium.


128–130

Serotonin levels are dependent on

the transport of tryptophan, a large neutral ar-

omatic amino acid that crosses the blood-brain

barrier. Because several other large amino ac-

ids, including isoleucine, leucine, methionine,

phenylalanine, and tyrosine, use the same sat-

urable carrier, they compete with one another.

Thus, changes in the amino acid levels in the

plasma affect serotonin metabolism in the brain.

For example, recent studies suggest that inges-

tion of tryptophane-rich alpha-lactalbumin at

bedtime improves morning alertness and brain

measures of attention in normal individuals.

131

The effect of serotonin withdrawal is a little



less clear. Increased tryptophan uptake results

in increased brain serotonin activity in patients

with hepatic encephalopathy.

120


Histamine

Histamine is now known to play a key role in

maintaining a waking state. Histamine neurons

in the tuberomammillary nucleus in the hypo-

thalamus comprise a major component of the

ascending arousal system. Inhibition of the his-

tamine neurons with a GABA agonist in cats

causes sleepiness, and disinhibition with bi-

cuculline causes wakefulness and prevents the

sedating effects of anesthetics. Animals with

knockouts either of the gene for histidine de-

carboxylase, which synthesizes histamine, or

the H

1

receptor, which is found in the cerebral



cortex, are more sleepy and do not respond

to other arousing neurotransmitters such as

orexin. Those H

1

antagonists that are used to



treat allergies and also cross the blood-brain

barrier cause considerable sleepiness in hu-

mans. H

2

antagonists, such as cimetidine, rani-



tidine, and famotidine, have, on rare occasions,

been associated with delirium, particularly in

the elderly.

132,133


This response may be due to

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

209


nonspecific interaction with other histamine

receptor subtypes.

Glutamate

The most common excitatory neurotransmit-

ter in the brain, glutamate is used by almost all

neurons involved in thalamocortical and long-

range corticocortical transmission. Drugs that

block NMDA receptors, which are required for

memory phenomena such as long-term poten-

tiation (LTP), including ketamine, nitrous ox-

ide, and phencyclidine, cause intense delirium.

However, these drugs do not reduce activity in

the arousal system, and may in fact heighten it.

As a result, subjects who have had ketamine

often report bizarre and distorted experiences,

but may be aware even when they appear not

to be. Up-regulation of glutamate neurotrans-

mission has been associated with alcohol with-

drawal delirium (delirium tremens).

134


Norepinephrine

Norepinephrine is used by neurons of the locus

coeruleus, which also is a major component of

the ascending arousal system. Although ablation

of the locus coeruleus has minimal effects on

consciousness, due to redundant pathways from

other monoaminergic systems, its neurons fire

in association with novel stimuli in the environ-

ment and are most active during wakefulness.

Beta blockers can cause depression, but not

impairment of consciousness. Alpha blockers

mainly impair consciousness when they cause

peripheral vasodilation and orthostatic hypo-

tension. CSF norepinephrine is elevated during

alcohol withdrawal

135


and may be involved in

opiate withdrawal as well; treatment with the

alpha-2 agonist clonidine can relieve the with-

drawal symptoms. Cocaine, which blocks reup-


Yüklə 9,02 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   ...   33   34   35   36   37   38   39   40   ...   73




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

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin