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

neurons (or both) and thereby locking the in-

dividual out of REM sleep.

70,89

Relationship of Coma to Sleep

Because the brain enters a state of quiescence

during sleep on a daily basis, it is natural to

wonder whether coma may not be a pathologic

entrance into the sleep state. In fact, both

impaired states of consciousness and NREM

sleep are characterized by EEG patterns that

include increased amounts of high-voltage slow

waves. Both conditions are due, ultimately, to

lack of activity by the ascending arousal system.

However, in sleep, the lack of activity is due to

an intrinsically regulated inhibition of the arou-

sal system, whereas in coma the impairment of

the arousal system is due either to damage to

the arousal system or to diffuse dysfunction of

its diencephalic or forebrain targets.

Because sleep is a regulated state, it has

several characteristics that distinguish it from

coma. A key feature of sleep is that the subject

can be aroused from it to wakefulness. Patients

who are obtunded may be aroused briefly, but

they require continuous stimulation to main-

tain a wakeful state, and comatose patients may

not be arousable at all. In addition, sleeping

subjects undergo a variety of postural adjust-

ments, including yawning, stretching, and turn-

ing, which are not seen in patients with path-

ologic impairment of level of consciousness.

The most important difference, however, is

the lack of cycling between NREM and REM

sleep in patients in coma. Sleeping subjects

undergo a characteristic pattern of waxing and

waning depth of NREM sleep during the night,

punctuated by bouts of REM sleep, usually

beginning when the NREM sleep reaches its

lightest phase. The monotonic high-voltage slow

waves in the EEG of the comatose patient indi-

cate that although coma may share with NREM

sleep the property of a low level of activity in the

ascending arousal systems, it is a fundamentally

different and pathologic state.

The Cerebral Hemispheres

and Conscious Behavior

The cerebral cortex acts like a massively parallel

processor that breaks down the components of

sensory experience into a wide array of abstrac-

tions that are analyzed independently and in

parallel during normal conscious experience.

42

This organizational scheme predicts many of the

properties of consciousness, and it sheds light

on how these many parallel streams of cortical

activity are reassimilated into a single conscious

state.

The cerebral neocortex of mammals, from

rodents to humans, consists of a sheet of neu-

rons divided into six layers. Inputs from the tha-

lamic relay nuclei arrive mainly in layer IV, which

consists of small granule cells. Inputs from other

cortical areas arrive into layers II, III, and V.

Layers II and III consist of small- to medium-

sized pyramidal cells, arrayed with their apical

dendrites pointing toward the cortical surface.

Layer V contains much larger pyramidal cells,

also in the same orientation. The apical den-

drites of the pyramidal cells in layers II, III, and

V receive afferents from thalamic and cortical

axons that course through layer I parallel to the

cortical surface. Layer VI comprises a varied

collection of neurons of different shapes and

sizes (the polymorph layer). Layer III provides

most projections to other cortical areas, whereas

layer V provides long-range projections to the

brainstem and spinal cord. The deep part of

layer V projects to the striatum. Layer VI pro-

vides the reciprocal output from the cortex back

to the thalamus.

91

It has been known since the 1960s that the

neurons in successive layers along a line drawn

through the cerebral cortex perpendicular to

the pial surface all tend to be concerned with

similar sensory or motor processes.

92,93

These

neurons form columns, of about 0.3 to 0.5 mm

in width, in which the nerve cells share incom-

ing signals in a vertically integrated manner.

Recordings of neurons in each successive layer

of a column of visual cortex, for example, all

respond to bars of light in a particular orien-

tation in a particular part of the visual field.

Columns of neurons send information to one

another and to higher order association areas

via projection cells in layer III and, to a lesser

extent, layer V.

94

In this way, columns of neu-

rons are able to extract progressively more com-

plex and abstract information from an incom-

ing sensory stimulus. For example, neurons in

a primary visual cortical area may be primarily

concerned with simple lines, edges,and corners,

but by integrating their inputs, a neuron in

a higher order visual association area may

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

25

---

respond only to a complex shape, such as a hand

or a brush.

The organization of the cortical column does

not vary much from mammals with the most

simple cortex, such as rodents, to primates with

much larger and more complex cortical devel-

opment. The depth or width of a column, for

example, is only marginally larger in a primate

brain than in a rat brain. What has changed

most across evolution has been the number of

columns. The hugely enlarged sheet of cortical

columns in a human brain provides the mas-

sively parallel processing power needed to per-

form a sonata on the piano, solve a differential

equation, or send a rocket to another planet.

An important principle of cortical organi-

zation is that neurons in different areas of the

cerebral cortex specialize in certain types of

operations. In a young brain, before school age,

it is possible for cortical functions to reorga-

nize themselves to an astonishing degree if one

area of cortex is damaged. However, the orga-

nization of cortical information processing goes

through a series of critical stages during de-

velopment, in which the maturing cortex gives

up a degree of plasticity but demonstrates im-

proved efficiency of processing.

95,96

In adults,

the ability to perform a specific cognitive pro-

cess may be irretrievably assigned to a region

of cortex, and when that area is damaged, the

individual not only loses the ability to perform

that operation, but also loses the very concept

that the information of that type exists. Hence,

the individual with a large right parietal infarct

not only loses the ability to appreciate stimuli

from the left side of space, but also loses the

concept that there is a left side of space. We

have witnessed a patient with a large right pa-

rietal lobe tumor who ate only the food on the

right side of her plate; when done, she would

Figure 1–6. A summary drawing of the laminar organization of the neurons and inputs to the cerebral cortex. The neuronal

layers of the cerebral cortex are shown at the left, as seen in a Nissl stain, and in the middle of the drawing as seen in Golgi

stains. Layer I has few if any neurons. Layers II and III are composed of small pyramidal cells, and layer V of larger pyra-

midal cells. Layer IV contains very small granular cells, and layer VI, the polymorph layer, cells of multiple types. Axons

from the thalamic relay nuclei (a, b) provide intense ramifications mainly in layer IV. Inputs from the ‘‘nonspecific system,’’

which includes the ascending arousal system, ramify more diffusely, predominantly in layers II, III, and V (c, d). Axons

from other cortical areas ramify mainly in layers II, III, and V (e, f). (From Lorente de No R. Cerebral cortex: archi-

tecture, intracortical connections, motor projections. In Fulton, JF. Physiology of the Nervous System. Oxford University

Press, New York, 1938, pp. 291–340. By permission of Oxford University Press.)

26

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---