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

tion of the nervous system behaving according to

fundamental principles. Hence, the evaluation

of the comatose patient becomes an exercise in

applying those principles to the evaluation of a

human with brain failure.

Structural Lesions That Cause

Altered Consciousness in Humans

To produce stupor or coma in humans, a dis-

order must damage or depress the function of

either extensive areas of both cerebral hemi-

spheres or the ascending arousal system, includ-

ing the paramedian region of the upper brain-

stem or the diencephalon on both sides of the

brain. Figure 1–8 illustrates examples of such

lesions that may cause coma. Conversely, uni-

lateral hemispheric lesions, or lesions of the

brainstem at the level of the midpons or below,

do not cause coma. Figure 1–9 illustrates sev-

eral such cases that may cause profound sensory

and motor deficits but do not impair conscious-

ness.

Figure 1–8. Brain lesions that cause coma. (A) Diffuse hemispheric damage, for example, due to hypoxic-ischemic

encephalopathy (see Patient 1–1). (B) Diencephalic injury, as in a patient with a tumor destroying the hypothalamus.

(C) Damage to the paramedian portion of the upper midbrain and caudal diencephalon, as in a patient with a tip of the basilar

embolus. (D) High pontine and lower midbrain paramedian tegmental injury (e.g., in a case of basilar artery occlusion).

(E) Pontine hemorrhage, because it produces compression of the surrounding brainstem, can cause dysfunction that extends

beyond the area of the tissue loss. This case shows the residual area of injury at autopsy 7 months after a pontine hemorrhage.

The patient was comatose during the first 2 months.

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

29

---

BILATERAL HEMISPHERIC

DAMAGE

Bilateral and extensive damage to the cere-

bral cortex occurs most often in the context of

hypoxic-ischemic insult. The initial response to

loss of cerebral blood flow (CBF) or insuffi-

cient oxygenation of the blood includes loss of

consciousness. Even if blood flow or oxygena-

tion is restored after 5 or more minutes, there

may be widespread cortical injury and neuro-

nal loss even in the absence of frank infarc-

tion.

102,103

The typical appearance pathologi-

cally is that neurons in layers III and V (which

receive the most glutamatergic input from

other cortical areas) and in the CA1 region of

the hippocampus (which receives exten-

sive glutamatergic input from both the CA3

fields and the entorhinal cortex) demonstrate

eosinophilia in the first few days after the in-

jury. Later, the neurons undergo pyknosis and

apoptotic cell death (Figure 1–10). The net re-

sult is pseudolaminar necrosis, in which the

cerebral cortex and the CA1 region both are

depopulated of pyramidal cells.

Alternatively, in some patients with less ex-

treme cortical hypoxia, there may be a lucid

interval in which the patient appears to recover,

followed by a subsequent deterioration. Such a

patient is described in the historical vignette on

this and the following page. (Throughout this

book we will use historical vignettes to describe

cases that occurred before the modern era of

neurologic diagnosis and treatment, in which

the natural history of a disorder unfolded in a

way in which it would seldom do today. Fortu-

nately, most such cases included pathologic

assessment, which is also all too infrequent in

modern cases.)

HISTORICAL VIGNETTE

Patient 1–1

A 59-year-old man was found unconscious in a

room filled with natural gas. A companion already

had died, apparently the result of an attempted

double suicide. On admission the man was unre-

sponsive. His blood pressure was 120/80 mm Hg,

pulse 120, and respirations 18 and regular. His rectal

temperature was 1028F. His stretch reflexes were

hypoactive, and plantar responses were absent.

Coarse rhonchi were heard throughout both lung

fields.

He was treated with nasal oxygen and began to

awaken in 30 hours. On the second hospital day

he was alert and oriented. On the fourth day he was

afebrile, his chest was clear, and he ambulated.

The neurologic examination was normal, and an

evaluation by a psychiatrist revealed a clear senso-

rium with ‘‘no evidence of organic brain damage.’’

He was discharged to his relatives’ care 9 days

after the anoxic event.

At home he remained well for 2 days but then

became quiet, speaking only when spoken to. The

following day he merely shuffled about and res-

Figure 1–9. Lesions of the brainstem may be very

large without causing coma if they do not involve the

ascending arousal system bilaterally. (A) Even an

extensive infarction at the mesopontine level that

does not include the dorsolateral pons on one side

and leaves intact the paramedian midbrain can result

in preservation of consciousness. (B) Lesions at

a low pontine and medullary level, even if they in-

volve a hemorrhage, do not impair consciousness.

(Patient 1–2, p. 33)

30

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

ponded in monosyllables. The next day (13 days

after the anoxia) he became incontinent and

unable to walk, swallow, or chew. He neither spoke

to nor recognized his family. He was admitted to a

private psychiatric hospital with the diagnosis of

depression. Deterioration continued, and 28 days

after the initial anoxia he was readmitted to the

hospital. His blood pressure was 170/100 mm Hg,

pulse 100, respirations 24, and temperature 1018F.

There were coarse rales at both lung bases. He per-

spired profusely and constantly. He did not re-

spond to pain, but would open his eyes momen-

tarily to loud sounds. His extremities were flexed

and rigid, his deep tendon reflexes were hyperac-

tive, and his plantar responses extensor. Laboratory

studies, including examination of the spinal fluid,

were normal. He died 3 days later.

An autopsy examination showed diffuse bron-

chopneumonia. The brain was grossly normal.

There was no cerebral swelling. Coronal sections

appeared normal with no evidence of pallidal ne-

crosis. Histologically, neurons in the motor cortex,

hippocampus, cerebellum, and occipital lobes ap-

peared generally well preserved, although a few

sections showed minimal cytodegenerative chan-

ges and reduction of neurons. There was occasional

perivascular lymphocytic infiltration. Pathologic

changes were not present in blood vessels, nor was

there any interstitial edema. The striking alteration

was diffuse demyelination involving all lobes of the

cerebral hemispheres and sparing only the arcuate

fibers (the immediately subcortical portion of the

cerebral white matter). Axons were also reduced in

number but were better preserved than was the

myelin. Oligodendroglia were preserved in demye-

linated areas. Reactive astrocytes were consider-

ably increased. The brainstem and cerebellum were

histologically intact. The condition of delayed post-

anoxic cerebral demyelination observed in this pa-

tient is discussed at greater length in Chapter 5.

Another major class of patients with bilateral

hemispheric damage causing coma is of those

Figure 1–10. Hypoxia typically causes more severe damage to large pyramidal cells in the cerebral cortex and hippo-

campus compared to surrounding structures. (A) shows a low magnification view of the cerebral cortex illustrating pseu-

dolaminar necrosis (arrow), which parallels the pial surface. At higher magnification (B), the area of necrosis involves

layers II to V of the cerebral cortex, which contains the large pyramidal cells (region between the two arrows). (C) At high

magnification, surviving neurons are pyknotic and eosinophilic, indicating hypoxic injury. Scale in A ¼ 8 mm, B ¼ 0.6 mm,

and C ¼ 15 micrometers.

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

31

---