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

In addition, at the mesopontine level the

brainstem contains at least three different mo-

noamine groups whose axons project through

the hypothalamus to the cerebral cortex.

42

The noradrenergic locus coeruleus projects

through the paramedian midbrain reticular for-

mation and the lateral hypothalamus, inner-

vating the entire cerebral cortex diffusely.

43

Serotoninergic neurons in the dorsal and

median raphe nuclei project through a similar

course.

44

Mixed in with the serotoninergic

neurons are a smaller number of dopaminer-

gic cells, which are an extension of the ventral

tegmental dopamine group along the midline

of the midbrain, into the area under the ce-

rebral aqueduct.

45

These dopaminergic neu-

rons also project through the paramedian

midbrain reticular formation. Some of them

innervate the midline and intralaminar nuclei

of the thalamus, and others pass through the

lateral hypothalamus to the basal forebrain

and prefrontal cortex. Evidence from single-

unit recording studies in behaving animals

indicates that neurons in these monoaminergic

nuclei are most active during wakefulness, slow

down during slow-wave sleep, and stop almost

completely during REM sleep.

46–49

Application of monoaminergic neurotrans-

mitters to cortical neurons produces complex

responses.

35,50–52

In most cases, there is inhi-

bition resulting in a decrease in background

firing, although firing induced by the specific

stimulus to which the neuron is best tuned may

not be reduced to as great a degree as back-

ground firing. In an awake and aroused in-

dividual, this alteration in firing may result in

an improvement in signal-to-noise ratio, which

may be critical in sharpening cortical informa-

tion processing to avoid misperception of stim-

uli, such as occurs during a delirious state.

Although the cholinergic and monoaminergic

neurons in the mesopontine tegmentum have

traditionally been thought to play a major role

in regulating wake-sleep states, lesions of these

cell groups have relatively little effect on wake-

sleep states or cortical EEG.

53

Recent studies

0.2 mV

1 s

A

B

Figure 1–1. Electroencephalogram (EEG) from a cat in which Frederic Bremer transected the cervicomedullary

junction (A), showing a normal, desynchronized waking activity. However, after a transection at the midcollicular level (B),

the EEG consisted of higher voltage slow waves, more typical of sleep or coma. (From Saper, C. Brain stem modulation

of sensation, movement, and consciousness. Chapter 45 in: Kandel, ER, Schwartz, JH, Jessel, TM. Principles of Neural

Science. 4th ed. McGraw-Hill, New York, 2000, pp. 871–909. By permission of McGraw-Hill.)

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

15

---

Box 1–3 Wake-Sleep States

In the early days of EEG recording, it was widely assumed that sleep, like coma,

represented a period of brain inactivity. Hence, it was not surprising when the EEG

appearance of sleep was found to resemble the high-voltage, slow waves that ap-

pear during coma. However, in 1953, Aserinsky and Kleitman

37

reported the curi-

ous observation that, when they recorded the EEG as well as the electromyogram

(EMG) and the electro-oculogram (EOG) overnight, their subjects would period-

ically enter a state of sleep in which their eyes would move and their EEG would

appear to be similar to waking states, yet their eyes were closed and they were

deeply unresponsive to external stimuli.

37,38

This condition of REM sleep has also been called desynchronized sleep (from

the appearance of the EEG) as well as paradoxical sleep. More detailed study of

the course of a night of sleep revealed that the REM and NREM periods tend

to alternate in a rhythmic pattern through the night.

39–41

During active wakefulness, the EEG gives the appearance of small, desynchro-

nized waves and the EMG is active, indicating muscle activity associated with

waking behavior. In quiet wakefulness, the EEG often begins to synchronize, with

8- to 12-Hz alpha waves predominating, particularly posteriorly over the hemi-

sphere. Muscle tone may diminish as well. As sleep begins, the EEG rhythm drops

to the 4- to 7-Hz theta range, muscle tone is further diminished, and slowly roving

eye movements emerge (stage I NREM). The appearance of sleep spindles (waxing

and waning runs of alpha frequency waves) and large waves in the 1- to 3-Hz delta

range, called K complexes, denotes the onset of stage II NREM. The subject may

then pass into the deeper stages of NREM, sometimes called slow-wave sleep, in

which delta waves become a progressively more prominent (stage III) and then

dominant (stage IV) feature. During these periods, eye movements are few and

muscle tone drops to very low levels. This usually takes about 45 to 60 minutes, and

then the subject often will gradually emerge from the first bout of slow-wave sleep

to stage I again.

At this point, the first bout of REM sleep of the night often occurs. The subject

abruptly transitions into a desynchronized, low-voltage EEG, with rapid and

EEG

EMG

EOG

Awake

Sleep stage 1

2

3

4

REM

1 s

50  V

Figure B1–3A. The main features of a polysomnogram showing the eye movements (electro-oculogram

[EOG]), muscle tone (electromyogram [EMG]), and electroencephalogram (EEG) across the different

stages of sleep and wakefulness. During wakefulness, the EEG is desynchronized, the EMG is active, and

there are spontaneous eye movements. During non-rapid eye movement (NREM) sleep, the EEG be-

comes progressively slower, the EMG less active, and eye movements slow down or become slowly roving.

During REM sleep, there is a rapid transition to a desynchronized EEG, and irregular, rapid eye move-

ments, but the EMG becomes minimal, consistent with atonia. (From Rechtschaffen, A, and Siegel, J.

Sleep and dreaming. Chapter 47 in: Kandel, ER, Schwartz, JH, Jessel, TM. Principles of Neural Science.

4th ed. McGraw-Hill, New York, 2000, pp. 936–947. By permission of McGraw-Hill.)

(continued)

16

---