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

determine if the reduced consciousness has a

structural cause (and therefore may require im-

mediate imaging and perhaps surgical treat-

ment) or a metabolic cause (in which case the

diagnostic approach can be more lengthy and

extensive). Chapters 3 and 4 discuss patho-

physiology and specific causes of structural in-

jury to the brain that result in defects of con-

sciousness. Chapter 5 examines the broad range

of metabolic causes of unconsciousness, and

the specific treatments they require. Chapter 6

explores psychiatric causes of unresponsive-

ness, which must be differentiated from or-

ganic causes of stupor and coma. Chapter 7

provides a systematic discussion of the treat-

ment of both structural and metabolic coma.

Chapter 8 explores the outcomes of coma of

different causes, including the prognosis for

useful recovery and the states of long-term im-

pairment of consciousness. Chapter 9 reviews

some ethical problems encountered in treating

unconscious individuals.

DEFINITIONS

Consciousness

Consciousness is the state of full awareness of

the self and one’s relationship to the environ-

ment. Clinically, the level of consciousness of a

patient is defined operationally at the bedside

by the responses of the patient to the examiner.

It is clear from this definition that it is possi-

ble for a patient to be conscious yet not respon-

sive to the examiner, for example, if the patient

lacks sensory inputs, is paralyzed (see locked-

in syndrome, page 7), or for psychologic reasons

decides not to respond. Thus, the determina-

tion of the state of consciousness can be a

technically challenging exercise. In the defini-

tions that follow, we assume that the patient is

not unresponsive due to sensory or motor im-

pairment or psychiatric disease.

Consciousness has two major components:

content and arousal. The content of conscious-

ness represents the sum of all functions medi-

ated at a cerebral cortical level, including both

cognitive and affective responses. These func-

tions are subserved by unique networks of cor-

tical neurons, and it is possible for a lesion that

is strategically placed to disrupt one of the net-

works, causing a fractional loss of conscious-

ness.

1

Such patients may have preserved aware-

ness of most stimuli, but having suffered the

loss of a critical population of neurons (e.g., for

recognizing language symbol content, differ-

ences between colors or faces, or the presence

of the left side of space), the patient literally

becomes unconscious of that class of stimuli.

Patients with these deficits are often charac-

terized as ‘‘confused’’ by inexperienced exam-

iners, because they do not respond as expected

to behavioral stimuli. More experienced clini-

cians recognize the focal cognitive deficits and

that the alteration of consciousness is confined

to one class of stimuli. Occasionally, patients with

right parietotemporal lesions may be sufficiently

inattentive as to appear to be globally confused,

but they are not sleepy and are, in fact, usually

agitated.

2

Thus, unless the damage to cortical net-

works is diffuse or very widespread, the level of

consciousness is not reduced. For example, pa-

tients with advanced Alzheimer’s disease may

lose memory and other cognitive functions, but

remain awake and alert until the damage is so

extensive and severe that response to stimuli is

reduced as well (see vegetative state, page 8).

Hence, a reduced level of consciousness is not

due to focal impairments of cognitive function,

but rather to a global reduction in the level of

behavioral responsiveness. In addition to being

caused by widespread cortical impairment, a

reduced level of consciousness can result from

injury to a specific set of brainstem and di-

encephalic pathways that regulate the overall

level of cortical function, and hence conscious-

ness (Figure 1–1). The normal activity of this

arousal system is linked behaviorally to the

appearance of wakefulness. It should be appar-

ent that cognition is not possible without a rea-

sonable degree of arousal.

Sleep is a recurrent, physiologic, but not path-

ologic, form of reduced consciousness in which

the responsiveness of brain systems responsible

for cognitive function is globally reduced, so that

the brain does not respond readily to environ-

mental stimuli. Pathologic alteration of the re-

lationships between the brain systems that are

responsible for wakefulness and sleep can im-

pair consciousness. The systems subserving nor-

mal sleep and wakefulness are reviewed later

in this chapter. A key difference between sleep

and coma is that sleep is intrinsically reversible:

sufficient stimulation will return the individual

to a normal waking state. In contrast, if patients

Pathophysiology of Signs and Symptoms of Coma

5

---

with pathologic alterations of consciousness can

be awakened at all, they rapidly fall back into a

sleep-like state when stimulation ceases.

Patients who have a sleep-like appearance

and remain behaviorally unresponsive to all

external stimuli are unconscious by any defini-

tion. However, continuous sleep-like coma as a

result of brain injury rarely lasts more than 2 to

4 weeks.

Acutely Altered States

of Consciousness

Clouding of consciousness is a term applied to

minimally reduced wakefulness or awareness,

which may include hyperexcitability and irrit-

ability alternating with drowsiness. A key dis-

tinction must be made in such patients between

those who are confused (i.e., do not respond ap-

propriately to their environment) because of a

focal deficit of cognitive function versus those

who have more global impairment. The beclou-

ded patient is usually incompletely oriented to

time and sometimes to place. Such patients are

inattentive and perform poorly on repeating

numbers backward (the normal range is at least

four or five) and remembering details or even

the meaning of stories. Drowsiness is often pro-

minent during the day, but agitation may pre-

dominate at night.

The pathophysiology of brain function in such

patients has rarely been studied, but Posner and

Plum

3

found that cerebral oxygen consumption

had declined by 20% below normal levels in

patients with hepatic encephalopathy with leth-

argy and global confusion, and Shimojyo and

colleagues noted similar reductions in patients

with lethargy and global confusion due to Wer-

nicke’s encephalopathy.

4

More recently, Trze-

pacz and colleagues have identified decreased

regional cerebral blood flow (CBF) bilaterally in

the frontotemporal cortex and right basal gan-

glia of patients with subclinical hepatic ence-

phalopathy.

5

Increases in CBF during treatment

of cobalamin deficiency correlate with clinical

improvement.

6

Other studies have implicated

reduced cholinergic function; excess release of

dopamine, norepinephrine, and glutamate; and

both decreased and increased serotonergic and

gamma-aminobutyric acid (GABA) activity.

7

The pathogenesis of clouding of consciousness

and delirium is discussed in more detail in

Chapter 5.

Delirium, from the Latin ‘‘to go out of the

furrow,’’ is a more floridly abnormal mental

state characterized by misperception of sensory

stimuli and, often, vivid hallucinations. Deli-

rium is defined by the Diagnostic and Statisti-

cal Manual of Mental Disorders, 4th edition

(DSM-IV),

8

as follows: ‘‘A. Disturbance of con-

sciousness (i.e., reduced clarity of awareness of

the environment) with reduced ability to focus,

sustain or shift attention. B. A change in cog-

nition (such as memory deficit, disorientation,

language disturbance) or the development of a

perceptual disturbance that is not better ac-

counted for by a pre-existing, established or

evolving dementia. C. The disturbance devel-

ops over a short period of time (usually hours

to days) and tends to fluctuate during the course

of the day.’’

Delirious patients are disoriented, first to

time, next to place, and then to persons in their

environment. Rarely are patients unaware of

who they are, although sometimes married

women will revert to their maiden name. Pa-

tients are often fearful or irritable and may

overreact or misinterpret normal activities of

physicians and nurses. Delusions or hallucina-

tions may place the patient completely out of

contact with the environment and the exam-

iner. Full-blown delirious states tend to come

on rapidly and rarely last more than 4 to 7 days.

However, fragments of misperceptions may

persist for several weeks, especially among al-

coholics and patients with cerebral involvement

from collagen vascular diseases.

Delirium with agitation occasionally may be

seen as a consequence of focal lesions of the

right parieto-occipitotemporal cortex,

2,9

but

generally is indicative of bilateral impairment

of cortical function in toxic-metabolic states,

such as atropine poisoning, alcohol or seda-

tive drug (e.g., benzodiazepine) withdrawal,

acute porphyria, or hepatic or renal failure. It

also occurs with systemic infectious processes

or as a component of encephalitis, during

which immune mediators such as cytokines

and eicosanoid derivatives may cloud mental

function.

Obtundation, from the Latin ‘‘to beat against

or blunt,’’ literally means mental blunting or

torpidity. In a medical setting, such patients have

a mild to moderate reduction in alertness, ac-

companied by a lesser interest in the environ-

ment. Such patients have slower psychologic

responses to stimulation. They may have an

6

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---