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

tions: one of metabolism and the other be-

havioral. Metabolically, respiratory control is

directed principally at maintaining tissue oxy-

genation and normal acid-base balance. It is

regulated mainly by reflex neural mechanisms

located in the posterior-dorsal region of the

pons and in the medulla. Behavioral control

of breathing allows it to be integrated with

swallowing, and in humans, with verbal and

emotional communication as well as other

behaviors.

Respiratory rhythm is an intrinsic property

of the brainstem that is generated by a network

of neurons that lie in the ventrolateral medulla,

including the pre-Bo¨tzinger complex

29,30

(see

Figure 2–3). This rhythm is regulated in the

intact brain by a number of influences that

enter via the vagus and glossopharyngeal nerves.

ACh

Medulla

Midbrain

Spinal Cord:

Muscarinic

ACh

ACh

T2-T12: Intercostal Motor Neurons

C3-5: Phrenic Motor Nucleus

Hypoglossal Motor Nucleus

Nicotinic

IX and X Nerves

Cervical

Thoracic

Lumbar

Sacral

Cortex

Prefrontal

Cortex

Hypothalamus

Ventral Respiratory Group

Parabrachial Nucleus

␤2 adrenergic

NE

T2-8

Pons

Nucleus

Ambiguus

Figure 2–4. A diagram summarizing the respiratory control pathways in the brain. Afferents from the lung (pulmonary

stretch), upper airway (cough reflexes), and carotid body arrive via cranial nerves IX and X in the nucleus of the solitary tract

(gray), also called the dorsal respiratory group. These control airway and respiratory reflexes, analogous to the cardiovas-

cular system, by inputs to the ventrolateral medulla. These include outputs to the airways via the vagus nerve (red) and

outputs from the ventral respiratory group (orange) to the spinal cord, controlling sympathetic airway responses (green)

and respiratory motor (phrenic motor nucleus, blue) and accessory motor (hypoglossal and intercostal, blue) outputs. The

ventral respiratory group is responsible for generating respiratory rhythm. However, it is assisted in this process by the

parabrachial nucleus (or pontine respiratory group, purple), which receives ascending respiratory afferents and integrates

them with other brainstem reflexes (e.g., swallowing). The prefrontal cortex (brown) provides behavioral regulation of

breathing, producing a continual breathing rhythm even in the absence of metabolic need. This influences the hypothal-

amus (light green), which may vary respiratory pattern in coordination with behavior or emotion. ACh, acetylcholine; NE,

norepinephrine.

48

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

The carotid sinus branch of the glossopharyn-

geal nerve brings afferents that carry informa-

tion about blood oxygen and carbon dioxide

content, whereas the vagus nerve conveys pul-

monary stretch afferents. These terminate in

the commissural, ventrolateral, intermediate,

and interstitial components of the nucleus of

the solitary tract.

31–33

Chemoreceptor affer-

ents can increase respiratory rate and depth,

whereas pulmonary stretch receptors tend to

inhibit lung inflation (the Herring-Breuer re-

flex). These influences are relayed to reticular

areas in the ventrolateral medulla that regulate

the onset of inspiration and expiration.

34

In

addition, serotoninergic neurons in the ventral

medulla may also serve as chemoreceptors and

directly influence the nearby circuitry that gen-

erates the respiratory rhythm.

35,36

The medullary circuitry that controls respira-

tion is under the control of pontine cell groups

that integrate breathing with ongoing orofacial

stimuli and behaviors.

37

Neurons in the para-

brachial nucleus primarily increase the rate

and depth of respiration, presumably in rela-

tion to emotional responses or in anticipation

of metabolic demand during various behaviors.

On the other hand, neurons located more ven-

trally in the intertrigeminal zone, between the

principal sensory and motor trigeminal nuclei,

produce apneas, which are necessary during

swallowing and in response to noxious chemi-

cal irritation of the airway (e.g., smoke or water

in the nasal passages).

38

Superimposed upon these metabolic de-

mands and basic reflexes, the forebrain can com-

mand a wide range of respiratory responses.

Respiration can be altered by emotional re-

sponse, and it increases in anticipation of met-

abolic demand during voluntary exercise, even

if the muscle that is to be contracted has been

paralyzed (i.e., as a consequence of central

command rather than metabolic reflex). The

pathways that control vocalization in humans

appear to originate in the frontal opercular cor-

tex, which provides premotor and motor inte-

gration of orofacial motor actions. However,

there is also a prefrontal contribution to the

maintenance of respiratory rhythm, even in the

absence of metabolic demand (the basis for

posthyperventilation apnea, described below).

These considerations make the recognition

of respiratory changes useful in the diagnosis of

coma (Figure 2–5).

POSTHYPERVENTILATION APNEA

If the arterial carbon dioxide tension is low-

ered by a brief period of hyperventilation, a

healthy awake subject will nevertheless con-

tinue to breathe with a normal rhythm, at least

initially,

39

albeit at reduced volume, until the

PCO

2

returns to its original level. By contrast,

subjects with diffuse metabolic impairment of

the forebrain, or bilateral structural damage to

the frontal lobes, commonly demonstrate post-

hyperventilation apnea.

40

Their respirations

stop after deep breathing has lowered the car-

bon dioxide content of the blood below its usual

resting level. Rhythmic breathing returns when

endogenous carbon dioxide production raises

the arterial level back to normal.

The demonstration of posthyperventilation

apnea requires that the patient voluntarily take

several deep breaths, so that it is useful in dif-

ferential diagnosis of lethargic or confused pa-

tients, but not in cases of stupor or coma. One

instructs the subject to take five deep breaths.

No other instructions are given. It is useful

for the examiner to place a hand on the pa-

tient’s chest, to make it easier later to detect

when breathing has restarted, and to count

the breaths. If the lungs function well, the ma-

neuver usually lowers the arterial carbon di-

oxide by 8 to 14 torr. At the end of the deep

breathing, wakeful patients without brain dam-

age show little or no apnea (less than 10 sec-

onds). However, in patients with forebrain im-

pairment, the period of apnea may last from 12

to 30 seconds. The neural substrate that pro-

duces a continuous breathing pattern even in

the absence of metabolic need is believed to

include the same frontal pathways that regu-

late behavioral alterations of breathing patterns,

as the continuous breathing pattern disappears

with sleep, bilateral frontal lobe damage, or dif-

fuse metabolic impairment of the hemispheres.

CHEYNE-STOKES RESPIRATION

Cheyne-Stokes respiration

41

is a pattern of

periodic breathing with phases of hyperpnea

alternating regularly with apnea. The depth

of respiration waxes from breath to breath in a

smooth crescendo during onset of the hyper-

pneic phase and then, once a peak is reached,

wanes in an equally smooth decrescendo until a

period of apnea, usually from 10 to 20 seconds,

Examination of the Comatose Patient

49

---