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

activity and coordinate eye muscle movement

to produce normal, conjugate gaze. These af-

ferents arise from cortical, tectal, and tegmen-

tal oculomotor systems, as well as directly from

the vestibular system and vestibulocerebellum.

In principle, these classes of afferents are not

greatly different from the types of inputs that

control alpha-motor neurons concerned with

striated muscles, except the oculomotor mus-

cles do not contain muscle spindles and hence

there is no somesthetic feedback.

The oculomotor nuclei are surrounded by

areas of the brainstem tegmentum containing

premotor cell groups that coordinate eye move-

ments.

93,95,96

The premotor area for regulating

lateral saccades consists of the paramedian

pontine reticular formation (PPRF), which is

just ventral to the abducens nucleus. The PPRF

contains several different classes of neurons

with bursting and pausing activities related

temporally to horizontal saccades.

97

Their main

effect is to allow conjugate lateral saccades to

the ipsilateral side of space, and when neurons

in this area are inactivated by injection of local

anesthetic, ipsilateral saccades are slowed or

eliminated. In addition, neurons in the dorsal

pontine nuclei relay smooth pursuit signals to

the flocculus, and the medial vestibular nucleus

and flocculus are both important for holding

eccentric gaze.

98

Inputs from these systems con-

verge on the abducens nucleus, which contains

two classes of neurons: those that directly in-

nervate the lateral rectus muscle (motor neu-

rons) and those that project through the medial

longitudinal fasciculus (MLF) to the opposite

medial rectus motor neurons in the oculomo-

tor nucleus. Axons from these latter neurons

cross the midline at the level of the abducens

nucleus and ascend on the contralateral side of

the brainstem to allow conjugate lateral gaze.

Thus, pontine tegmental lesions typically re-

sult in the inability to move the eyes to the

ipsilateral side of space (lateral gaze palsy).

Similarly, the premotor area for vertical sac-

cades and gaze holding, respectively, are found

in the rostral interstitial nucleus of the MLF

and rostral interstitial nucleus of Cajal, which

surround the oculomotor nucleus laterally. A

premotor area for vergence eye movements is

found at the rostral tip of this region, near the

midbrain-diencephalic junction. Unilateral le-

sions of the rostral interstitial nuclei typically

reduce vertical saccades as well as causing

torsional nystagmus.

99,100

Compression of the

midbrain from the tectal surface (e.g., by a pi-

neal tumor) causes loss of vertical eye move-

ments, usually beginning with upgaze.

The PPRF and rostral interstitial nuclei are

under the control of descending inputs from

the superior colliculus. Each superior collicu-

lus contains a map of the visual world on the

contralateral side of space, and electrical stim-

ulation of a specific point in this visual map will

command a saccade to the corresponding point

in space. In nonmammalian vertebrates, such as

frogs, this area is called the optic tectum and is

the principal site for directing eye movement;

in mammals, it comes largely under the control

of the cortical system for directing eye move-

ments.

The cortical descending inputs to the ocular

motor system are complex.

101

The frontal eye

fields (area 8) direct saccadic eye movements

to explore behaviorally relevant features of the

contralateral side of space. However, it would

be incorrect to think of this area as a motor

cortex. Unlike neurons in the primary motor

cortex, which fire in relation to movements of

the limbs in particular directions at particu-

lar joints, recordings from area 8 neurons in

awake, behaving monkeys indicate that they

do not fire during most random saccadic eye

movements. However, they are engaged dur-

ing tasks that require a saccade to a particular

part of space only when the saccadic eye

movement is part of a behavioral sequence that

is rewarded. In this respect, neurons in area

8 are more similar to those in areas of the

prefrontal cortex that are involved in planning

movements toward the opposite side of space.

Area 8 projects widely to both the superior

colliculus as well as the premotor areas for ver-

tical and lateral eye movements, and to the

ocular motor nuclei themselves.

102

Descend-

ing axons from area 8 mainly run through the

internal medullary lamina of the thalamus to

enter the region of the rostral interstitial nu-

cleus of the MLF. They then cross the midline

to descend along with the MLF to the con-

tralateral PPRF and abducens nucleus.

In the posterior part of the hemisphere, in

the ventrolateral cortex near the occipitopari-

etal junction, is an area of visual cortex, some-

times called area V5 or area MT, that is im-

portant in judging movement of objects in

contralateral space.

101,103

Cortex in this region

plays a critical role in following movements

originating in that space, including movements

62

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

toward the ipsilateral space. Thus, following

an object that travels from the left to the right

engages the right parietal cortex (area 7) to fix

attention on the object, the right area 8 to

produce a saccade to pick it up, the right oc-

cipital cortex to follow the object to the right,

and ultimately the left occipital cortex as well

to see the object as it enters the right side of

space. Thus, following moving stripes to the

right, as in testing optokinetic nystagmus, en-

gages a number of important cortical as well as

brainstem pathways necessary to produce eye

movements. Hence, although the test is fairly

sensitive for picking up oculomotor problems

at a cortical and brainstem level, the interpre-

tation of failure of optokinetic nystagmus is a

complex process.

In addition to these motor inputs, the ocular

motor neurons also receive sensory inputs to

guide them. Although there are no spindles in

the ocular motor muscles to provide somatic

sensory feedback, the ocular motor nuclei de-

pend on two different types of sensory feed-

back. First, visual feedback allows the rapid cor-

rection of errors in gaze. Second, the ocular

motor nuclei receive direct and relayed inputs

from the vestibular system.

104

Because the

eyes must respond to changes in head position

very quickly to stabilize the visual image on

the retina, the direct vestibular input, which

identifies angular or linear acceleration of the

head, is integrated to providing a signal for

rapid correction of eye position. The abducens

nucleus is located at the same level as the

vestibular complex, and it receives inputs from

the medial and superior vestibular nuclei. Ad-

ditional axons from these nuclei cross the mid-

line and ascend in the contralateral MLF to

reach the trochlear and oculomotor nuclei.

These inputs from the vestibular system allow

both horizontal and vertical eye movements

(vestibulo-ocular reflexes) in response to ves-

tibular stimulation.

Another sensory input necessary for the

brain to calculate its position in space is head

position and movement. Ascending somatosen-

sory afferents, particularly from the neck mus-

cles and vertebral joint receptors, arise from the

C2–4 levels of the spinal cord. They ascend

through the MLF to reach the vestibular nuclei

and cerebellum, where they are integrated with

vestibular sensory inputs.

The vestibulocerebellum, including the floc-

culus, paraflocculus, and nodulus, receives ex-

tensive vestibular input as well as somatosen-

sory and visual afferents.

101

The output from

the flocculus ensures the accuracy of saccadic

eye movements and contributes to pursuit eye

movements and the ability to hold an eccen-

tric position of gaze. The vestibulocerebellum

is also critical in learning new relationships

between eye movements and visual displace-

ment (e.g., when wearing prism or magnifica-

tion glasses). Lesions of the vestibulocerebel-

lum cause ocular dysmetria (inability to perform

accurate saccades), ocular flutter (rapid to-and-

fro eye movements), and opsoclonus (chaotic

eye movements).

105

It may be difficult to dis-

tinguish less severe cases of vestibulocerebellar

function from vestibular dysfunction.

Because the MLF conveys so many classes

of input from the pontine level to the mid-

brain, lesions of the MLF have profound ef-

fects on eye movements. After a unilateral

MLF lesion, the eye ipsilateral to the lesion

cannot follow the contralateral eye in conju-

gate lateral gaze to the other side of space (an

internuclear ophthalmoplegia, a condition that

occurs quite commonly in multiple sclerosis

and brainstem lacunar infarcts). The abducting

eye shows horizontal gaze-evoked nystagmus

(slow phase toward the midline, rapid jerks

laterally), while the adducting eye stops in the

midline (if the lesion is complete) or fails to

fully adduct (if it is partial). Bilateral injury to

the MLF caudal to the oculomotor complex not

only causes a bilateral internuclear ophthal-

moplegia, but also prevents vertical vestibulo-

ocular responses or pursuit. Vertical saccades,

however, are implemented by the superior

colliculus inputs to the rostral interstitial nu-

cleus of Cajal, and are intact. Similarly, ver-

gence eye movements are intact after caudal

lesions of the MLF, which allows the paresis of

adduction to be distinguished from a medial

rectus palsy. More rostral MLF lesions, how-

ever, may also damage the closely associated

preoculomotor areas for vertical or vergence

eye movements.

The Ocular Motor Examination

The examination of the ocular motor system in

awake, alert subjects involves testing both vol-

untary and reflex eye movements. In patients

with stupor or coma, testing of reflex eyelid and

ocular movements must suffice.

99

Examination of the Comatose Patient

63

---