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

is reached. The hyperpneic phase usually lasts

longer than the apneic phase (Figure 2–5).

This rhythmic alternation in Cheyne-Stokes

respiration results from the interplay of normal

brainstem respiratory reflexes.

42–45

When the

medullary chemosensory circuits sense ade-

quate oxygen and carbon dioxide tension, they

reduce the rate and depth of respiration, caus-

ing a gradual rise in arterial carbon dioxide ten-

sion. There is normally a short delay of a few

seconds, representing the transit time for fresh

blood from the lungs to reach the left heart

and then the chemoreceptors in the carotid

artery and the brain. By the time the brain be-

gins increasing the rate and depth of respira-

tion, the alveolar carbon dioxide has reached

even higher levels, and so there is a gradual

ramping up of respiration as the brain sees a

rising level of carbon dioxide, despite its ad-

ditional efforts. By the time the brain begins

to see a fall in carbon dioxide tension, the levels

in the alveoli may be quite low. When blood

containing this low level of carbon dioxide

reaches the brain, respiration slows or may even

cease, thus setting off another cycle. Hence,

the periodic cycling is due to the delay (hys-

B

C

D

E

A

B

C

D

E

A

1 min

Figure 2–5. Different abnormal respiratory patterns are associated with pathologic lesions (shaded areas) at various levels

of the brain. Tracings by chest-abdomen pneumography, inspiration reads up. (A) Cheyne-Stokes respiration is seen with

metabolic encephalopathies and with lesions that impair forebrain or diencephalic function. (B) Central neurogenic

hyperventilation is most commonly seen in metabolic encephalopathies, but may rarely be seen in cases of high brainstem

tumors. (C) Apneusis, consisting of inspiratory pauses, may be seen in patients with bilateral pontine lesions. (D) Cluster

breathing and ataxic breathing are seen with lesions at the pontomedullary junction. (E) Apnea occurs when lesions en-

croach on the ventral respiratory group in the ventrolateral medulla bilaterally. (From Saper, C. Brain stem modulation of

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

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

50

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

teresis) in the feedback loop between alveolar

ventilation and brain chemoreceptor sensory

responses.

The Cheyne-Stokes respiratory cycle is not

usually seen in normal individuals because the

circulatory delay between a change in alveolar

blood gases and carbon dioxide tension in the

brain is only a few seconds. Even as circulatory

delay rises with cardiovascular or pulmonary

disease, during waking the descending path-

ways that prevent posthyperventilation apnea

also ensure the persistence of respiration even

during periods of low metabolic need, thus

damping the oscillations that produce Cheyne-

Stokes respiration. However, during sleep or

with bilateral forebrain impairment, due either

to a diffuse metabolic process such as uremia,

hepatic failure, or bilateral damage such as ce-

rebral infarcts or a forebrain mass lesion with

diencephalic displacement, periodic breathing

may emerge.

43–45

In patients with heart fail-

ure, the transit time for blood from the lungs

to reach the carotid and cerebral chemorecep-

tors can become so prolonged as to produce

a Cheyne-Stokes pattern of respiration, even

in the absence of forebrain impairment. Thus,

Cheyne-Stokes respiration is mainly useful as

a sign of intact brainstem respiratory reflexes

in the patients with forebrain impairment, but

cannot be interpreted in the presence of sig-

nificant congestive heart failure.

HYPERVENTILATION IN

COMATOSE PATIENTS

Sustained hyperventilation is often seen in pa-

tients with impaired consciousness, but is usu-

ally a result of either hepatic coma or sepsis,

conditions in which circulating chemical stim-

uli cause hyperpnea, or a metabolic acidosis,

such as diabetic ketoacidosis (see Chapter 5).

Other patients have meningitis caused either

by infection or subarachnoid hemorrhage,

which stimulates chemoreceptors in the brain-

stem,

46

probably by altering CSF pH.

Some patients hyperventilate when intrin-

sic brainstem injury or subarachnoid hemor-

rhage or seizures cause neurogenic pulmonary

edema.

47

The ventilatory response is driven by

pulmonary mechanosensory and chemosensory

receptors. The pulmonary congestion lowers

both the arterial carbon dioxide and the oxygen

tension. Stimulation of pulmonary stretch re-

ceptors is apparently sufficient to cause reflex

hyperpnea, as oxygen therapy sufficient to raise

the arterial oxygen level does not always cor-

rect the overbreathing.

Another small group of patients has been

identified who have hyperventilation associ-

ated with brainstem gliomas or lymphomas.

48,49

These patients have spinal fluid that is acellu-

lar, but generally acidotic compared to arterial

pH. In others, the lumbar CSF may have a nor-

mal pH, but it is believed that the tumor causes

local lactic acidosis, which may trigger brain che-

moreceptors to cause hyperventilation (Figure

2–5).

It is theoretically possible for an irritative

lesion in the region of the parabrachial nu-

cleus or other respiratory centers to produce

hyperpnea.

37

The diagnosis of such true ‘‘cen-

tral neurogenic hyperventilation’’ requires that

with the subject breathing room air, the blood

gases show elevated arterial oxygen tension,

decreased carbon dioxide tension, and an ele-

vated pH. The cerebrospinal fluid likewise must

show an elevated pH and be acellular. The re-

spiratory changes must persist during sleep to

eliminate psychogenic hyperventilation, and

one must exclude the presence of stimulating

drugs, such as salicylates, or disorders that stim-

ulate respiration, such as hepatic failure or un-

derlying systemic infection. Cases fulfilling all

of these criteria have rarely been observed,

50,51

and none that we are aware of has come to post-

mortem examination of the brain.

APNEUSTIC BREATHING

Apneusis is a respiratory pause at full inspira-

tion. Fully developed apneustic breathing, with

each cycle including an inspiratory pause, is

rare in humans, but of considerable localizing

value. Experiments in animals indicate that ap-

neusis develops with injury to the pontine re-

spiratory nuclei described above, and experi-

ence with rare human cases would support this

view

52,53

(see Figure 2–5).

Clinically, end-inspiratory pauses of 2 to 3

seconds usually alternate with end-expiratory

pauses, and both are most frequently encoun-

tered in the setting of pontine infarction due

to basilar artery occlusion. However, apneustic

breathing may rarely be observed in metabolic

encephalopathies, including hypoglycemia, an-

oxia, or meningitis. It is sometimes observed

Examination of the Comatose Patient

51

---