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

lower than values from age-matched French

control subjects. Importantly, perception of

mental health and the presence of physical

pain correlated with the frequency of suicidal

thoughts (r ¼ –0.67 and 0.56, respectively,

p < 0.05), indicating the importance of proper

pain management in chronic locked-in patients

who are frequently undertreated. At present,

there are three European societies for locked-

in-patients with a membership exceeding 300

persons (http://alis-asso.fr/).

MECHANISMS UNDERLYING

OUTCOMES OF SEVERE BRAIN

INJURY: NEUROIMAGING

STUDIES AND CONCEPTUAL

FRAMEWORKS

The above discussion details the problems of

diagnostic accuracy and prognosis for disorders

of consciousness. At present, careful clinical

evaluations combined in some instances with

structural imaging criteria, or measurements

of early cortical sensory responses, remain

the foundation for decision making. Available

guidelines invariably indicate likelihoods of

death or VS as outcomes rather than providing

reliable indices of potential for functional re-

coveries with or without persistent disabilities.

In large part this is a consequence of the fact

that preserved brainstem function may only

herald PVS. Moreover, it is clear that in the

aggregate, the clinical neurologic examination

and assessments of structural brain integrity

provide only limited insight into the neuro-

physiologic mechanisms of coma, VS, or MCS.

This is because the functional impairment of

distributed neuronal populations of the cere-

bral cortex, basal ganglia, and thalamus under-

lying the conditions often cannot be adequately

assessed by these methods. Neuroimaging

techniques that can directly assess functional

changes within these cerebral networks hold

significant promise to ultimately improve diag-

nostic accuracy and understanding of the path-

ophysiology of the severely injured brain (see

99

for review).

Expanded use of neuroimaging techniques

for evaluating functional outcomes of patients

recovering from coma will likely have the

greatest impact on the category of severe dis-

ability. This broad category includes within its

limits patients who, while not permanently

unconscious, as in the chronic VS, may none-

theless never regain a capacity to communicate,

as well as other patients near the functional bor-

derline of independence in activities of daily

living. More than 20 years ago, the third edition

of Stupor and Coma commented that the overly

broad definition of severe disability needed sig-

Table 9–13 Functional Measurements

in a Cohort of Locked-in Patients

(N ¼ 44)

Variable

%

Cognitive Functioning

Level of attention



Good

86.0



Tends to sleep

9.0



Normally awake

2.3



Sleeps most of the time

2.3

Can pay attention >15 minutes

95.3

Can watch and follow a

film on TV

95.3

Can say what day it is

97.6

Can read

76.7

Has a visual deficit

14.0

Has memory problems

18.6

Emotions and Feelings

Mood state



Good

47.5



Bad

5.0



Depressed

12.5



Other

35.0

Is more sensitive since onset

85.0

Laughs or cries more easily

87.8

Sexuality

Has sexual desire

61.1

Can maintain sexual relations

30.0

Communication

Can emit sounds

78.0

Can communicate with or without

technical aid

65.8

Social Activities

Enjoys going out

73.2

Participates in social activities

14.3

Watches television normally

23.8

Participates in other family activities

61.9

Is accompanied out once or

twice a week

61.9

Meets with friends at least twice a

month

81.0

364

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

nificant refinement. As discussed above, recent

efforts to define MCS are a step in this di-

rection. The significance of identifying the

physiologic mechanisms underlying different

functional outcomes within the category of

severe disability is that this knowledge will lead

to a better understanding of the necessary and

sufficient neurologic substrates to recover con-

sciousness and varying levels of cognitive capac-

ity. Just as the concept of brain death clarified

the concept of death, MCS and other future

subdivisions of the category of severe disability

will force us to consider the concept of con-

sciousness more precisely.

FUNCTIONAL IMAGING OF THE

PERSISTENT VEGETATIVE STATE

Levy and associates

100

provided the first exper-

imental evidence supporting the clinical hypo-

thesis that patients in VS were unconscious.

Using FDG-PET, seven patients in PVS were

compared to three patients in the locked-in

state and 18 normal subjects. In PVS patients,

cerebral metabolic rates were globally reduced

by 50% or more. Regional cerebral blood flow

measurements showed a similar but more vari-

able pattern of global reduction. Subsequent

studies have confirmed these findings, with an

average of less than 50% of normal metabo-

lic rates in most VS patients studied (reduced

further to 30% to 40% in cases of hypoxic-

ischemic etiology).

101–105

Comparable reduc-

tions are identified during generalized anes-

thesia

106,107

and in stage IV sleep in normal

individuals.

108

The small number of patients in

the locked-in state (three) in the Levy study

had a low average metabolic rate, but recent

quantitative FDG-PET studies have demon-

strated essentially normal resting metabolic

rates in the cerebrum, even acutely.

99

Cerebel-

lar metabolic rates were low, consistent with the

lack of motor outflow in the locked-in state.

98

More sensitive imaging techniques have

recently been applied to the evaluation of PVS

patients. They reveal a marked loss of distrib-

uted network processing in VS.

99,104,109

Ele-

mentary auditory and somatosensory stimuli

fail to produce brain activation outside of pri-

mary sensory cortices (Figure 9–6). The data

suggest multiple functional disconnections

along the auditory or somatosensory cortical

pathways and support the inference that the

residual cortical activity seen in PVS patients

does not reflect awareness. The findings are

consistent with evidence of early sensory pro-

cessing in PVS patients as measured by evoked

potential studies, but loss of later compo-

nents

39

; they suggest that VS/PVS correlates

with failure of sensory information to propa-

gate beyond the earliest stages of cortical

processing. Preliminary studies discussed be-

low indicate that MCS patients show wider

activation of cortical networks, findings that

may help ultimately distinguish the conditions

among patients with severe sensory and motor

impairments limiting behavioral assessments

(e.g., spastic contractions and blindness).

Atypical Behavioral Features in

the Persistent Vegetative State

Stereotyped behavior, typically limbic displays

of crying, smiling, or other emotional patterns

that are not related to environmental stimuli,

occur in some VS patients. Occasionally, other

fragments of behavior that may appear semi-

purposeful, or inconsistently related to envi-

ronmental stimuli, arise in VS/PVS patients.

Neuroimaging studies, including FDG-PET,

magnetoencephalography (MEG), and func-

tional MRI (fMRI), have identified residual

cerebral circuits underlying such isolated be-

havioral fragments.

105,110,117

One remarkable

patient studied had remained in the PVS for 20

years but infrequently expressed single words

(typically epithets) not related to environ-

mental stimulation (Figure 9–7C). Two other

patients in this group revealed similar isolated

metabolic activity that could be correlated with

unusual behavioral patterns.

105

These data

provide novel evidence for the modular orga-

nization of the brain and suggest that preser-

vation of residual cerebral activity following

severe brain injuries is not random. Regional

preservation of cerebral metabolic activity

likely reflects both preservation of anatomic

connectivity and endogenous neuronal firing

patterns of remnant but incomplete networks.

Further study of this patient showed that

islands of higher resting brain metabolism in-

cluded Heschl’s gyrus (Figure 9–8), Broca’s

area, Wernicke’s area, and the left anterior

basal ganglia (caudate nucleus, possibly puta-

men). Despite limited amounts of remaining

left thalamus identified by MRI that expressed

Consciousness, Mechanisms Underlying Outcomes, and Ethical Considerations

365

---