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

perfusion pressure may fall below the thresh-

old for autoregulation, and blood flow may be

diminished below the level needed to support

neurologic function. Such patients may show

improvement in neurologic function when the

head of the bed is flat. Conversely, in cases of

head trauma where there is increased intra-

cranial pressure, it may be important to raise

the head of the bed 15 to 30 degrees to im-

prove venous drainage to maximize cerebral

perfusion pressure.

6

Similarly, it is necessary

to remove tight neckwear and ensure that a

cervical spine collar is not applied too tightly to

a victim of head injury to avoid diminishing

venous outflow from the brain.

In a patient with impaired consciousness,

the blood pressure can give important clues to

the level of the nervous system that has been

damaged. Damage to the descending sympa-

thetic pathways that support blood pressure

may result in a fall to levels seen after spinal

transaction (mean arterial pressure about 60 to

70 mm Hg). Blood pressure is supported by a

descending sympathoexcitatory pathway from

the rostral ventrolateral medulla to the spinal

cord, and so damage along the course of this

pathway can result in spinal levels of blood

pressure. The hypothalamus in turn provides

a descending sympathoexcitatory input to the

medulla and the spinal cord.

7,8

As a conse-

quence, bilateral diencephalic lesions result

in a fall in sympathetic tone, including mei-

otic pupils (see below), decreased sweating re-

sponses, and a generally low level of arterial

pressure.

9

However, persistent hypotension below these

levels in a comatose patient is almost never

caused by an acute neurologic injury. One of

the most common mistakes seen in evaluation

of a comatose patient with a mean arterial pres-

sure below 60 mm Hg is the assumption that a

neurologic event may have caused the hypo-

tension. This is almost never the case. A mean

arterial pressure at or above 60 mm Hg is gen-

erally sufficient in a supine patient to support

cerebral and systemic function. On the other

hand, acute hypotension, due to cardiogenic or

vasomotor shock, is a common cause of loss of

consciousness and a threat to the patient’s life.

Thus, the initial evaluation of a comatose pa-

tient with low blood pressure should focus on

identifying the cause of and correcting the

hypotension.

On the other hand, lesions that result in stim-

ulation of the sympathoexcitatory system may

cause an increase in blood pressure. For exam-

ple, pain is a major ascending sympathoexcit-

atory stimulus, which acts via direct collaterals

from the ascending spinothalamic tract into the

rostral ventrolateral medulla. The elevation of

blood pressure in response to a painful stim-

ulus applied to the body (pinch of skin, ster-

nal rub) is evidence of intact medullospinal

connections.

10,11

In a patient who is still semi-

wakeful after subarachnoid hemorrhage, blood

pressure may be elevated as a response to head-

ache pain. Each of these conditions is associ-

ated with a rise in heart rate as well.

Direct pressure to the floor of the medulla

can activate the Cushing reflex, an increase in

blood pressure and a decrease in heart rate.

12

In children, the Cushing reflex may be seen

when there is a generalized increased intracra-

nial pressure, even above the tentorium. How-

ever, the more rigid compartmentalization of

intracranial contents in adults usually prevents

this phenomenon unless the expansile mass is

in the posterior fossa.

Activation of descending sympathoexcita-

tory pathways from the forebrain may also ele-

vate blood pressure. Irritative lesions of the hy-

pothalamus, such as occur with subarachnoid

hemorrhage, may result in an excess hypotha-

lamic input to the sympathetic and parasym-

pathetic control systems.

13

This condition can

trigger virtually any type of cardiac arrhythmia,

from sinus pause to supraventricular tachycar-

dia to ventricular fibrillation.

14

However, the

most common finding in subarachnoid hemor-

rhage is a pattern of subendocardial ischemia.

Such patients may in fact have enzyme evi-

dence of myocardial infarction, and at autopsy

demonstrate contraction band necrosis of the

myocardium.

15

Sympathoexcitation is also seen in patients

who are delirious. The infralimbic and insular

cortex and the central nucleus of the amygdala

provide important inputs to sympathoexcit-

atory areas of the hypothalamus and the me-

dulla.

8

Activation of these areas due to misper-

ception of stimuli in the environment causing

emotional responses such as fear or anger may

result in hypertension, tachycardia, and en-

larged pupils.

Stokes-Adams attacks are periods of brief

loss of consciousness due to lack of adequate

44

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

cerebral perfusion. These almost always oc-

cur in an upright position. In recumbent po-

sitions, when the head is at the same height as

the heart, it takes a much steeper fall in blood

pressure (below 60 to 70 mm Hg mean pres-

sure) to cause loss of consciousness. The fall in

blood pressure during a Stokes-Adams attack

may reflect a failure of the baroreceptor reflex

arc on assuming an upright posture (in which

case it can be reproduced by testing orthostatic

responses). Alternatively, hyperactivity of the

baroreceptor reflex nerves may occasionally

cause hypotension (e.g., in patients with carotid

sinus hypersensitivity or glossopharyngeal neu-

ralgia, where brief bursts of activity in barore-

ceptor nerves trigger a rapid fall in heart rate

and blood pressure).

16,17

In other patients, the

fall in blood pressure may be caused by an in-

termittent failure of the pump (i.e., cardiac ar-

rhythmia). Thus, careful cardiologic evaluation is

required if a neurologic cause is not identified.

PATHOPHYSIOLOGY

The brain ordinarily tightly controls the cir-

culation to provide an adequate level of cere-

bral perfusion. It does this in two ways. First,

across a wide range of arterial blood pressures,

it autoregulates its own blood flow.

18–21

The

mechanism for this remarkable stability of

blood flow is not entirely understood, although

it appears to be due to intrinsic innervation of

the cerebral blood vessels and may also be

regulated by local metabolism.

20,22

In general,

local increases in CBF correspond to increases

in local metabolic rate, allowing the use of blood

flow (in positron emission tomography [PET]

imaging) or local blood volume (in functional

magnetic resonance imaging [MRI]) to approx-

imate neuronal activity. However, there are also

neuronal networks that regulate cerebral perfu-

sion distinct from metabolic need. The two sys-

tems normally act in concert to ensure sufficient

blood supply to allow normal cerebral function

over a wide range of blood pressures but are

dysregulated following some brain injuries.

Second, the brain acts through the auto-

nomic nervous system to acutely adjust sys-

temic arterial pressure in order to maintain a

pressure head that is within the range that al-

lows cerebral autoregulation. Blood pressure

is the product of the cardiac output times the

total vascular peripheral resistance. Cardiac

output in turn is the product of heart rate and

stroke volume. Both heart rate and stroke vol-

ume are increased by beta-1 adrenergic stim-

ulation from sympathetic nerves (or adrenal

catechols), which play a key role in regulating

cardiac output. Heart rate is slowed by mus-

carinic cholinergic action of the vagus nerve,

and hence, increased vagal tone decreases car-

diac output. Peripheral resistance is regulated

mainly by the level of alpha-1 adrenergic tone

in small arterioles, the most important resis-

tance vessels. Therefore, the blood pressure is

regulated by the balance of sympathetic tone,

which increases both cardiac output and vaso-

constrictor tone, versus parasympathetic tone,

which slows heart rate and therefore decreases

cardiac output. The cardiac vagal tone is main-

tained by the nucleus ambiguus in the medulla,

which contains most of the cardiac parasym-

pathetic preganglionic neurons.

23

Sympathetic

vascular and cardiac sympathetic tone is set by

neurons in the rostral ventrolateral medulla

that provide a tonic activating input to the sym-

pathetic preganglionic neurons in the thoracic

spinal cord.

24

When in a lying position, the brain is at the

same level as the heart, but as one rises, the

brain elevates to a position 20 to 30 cm above

the heart. This drop in perfusion pressure (ar-

terial pressure minus intracranial pressure) is

equivalent to 15 to 23 mm Hg, and it may be

sufficient to cause a drop in cerebral perfusion

pressure that would make it difficult to main-

tain CBF necessary to allow conscious brain

function.

To defend against such a precipitous fall in

perfusion pressure, the brain maintains reflex

mechanisms to compensate for the hydrody-

namic consequences of gravity. The level of

arterial pressure is measured at two sites, the

aortic arch (by the aortic depressor nerve, a

branch of the vagus nerve) and the carotid bi-

furcation (by the carotid sinus nerve, a branch

of the glossopharyngeal nerve). These two

nerves terminate in the brain in the nucleus of

the solitary tract, which is the main relay for all

visceral sensory information in the brain.

25,26

The nucleus of the solitary tract then provides

an excitatory input to the caudal ventrolateral

medulla.

27

The caudal ventrolateral medulla in turn pro-

vides an ascending inhibitory input to the tonic

vasomotor neurons in the rostral ventrolateral

Examination of the Comatose Patient

45

---