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

further clinical evidence, the present state of

imaging technologies cannot provide alterna-

tive markers of awareness. While neuroimag-

ing studies hold the promise of elucidating

underlying differences between VS/PVS and

MCS patients, at present no techniques are

able to identify awareness in such patients

unambiguously.

Owen and colleagues

119

have subsequently

developed a new imaging framework to evalu-

ate volitional responses in VS and MCS pa-

tients that address the ambiguities of the meth-

ods used in the Menon study.

114

Applying

these new methods,

120

they identified unequiv-

ocal neuroimaging evidence of a patient re-

maining in VS at 5 months following a severe

traumatic brain injury being able to follow

commands to imagine various visual scenes. The

commands were associated with activation of

appropriate areas of the cerebral cortex, de-

spite lack of an external motor response. At the

time of examination the patient showed evi-

dence of brief visual fixation, a possible transi-

tional sign for evolution into MCS.

76

Another

examination 11 months later revealed visual

tracking to a mirror, another transitional sign,

but no evidence of object manipulation or be-

havioral manifestations of command following.

Figure 9–9 shows the main result of the study.

The imaging findings demonstrated preser-

vation of cognitive function for this particu-

lar patient that the clinical bedside examina-

tion failed to reveal, and indicated a cognitive

level at least consistent with MCS. It is im-

portant to recognize that command following

is a cardinal feature of MCS that does imply

Figure 9–8. (A) A magnetic resonance image (1.5T) from the same patient illustrated in Figure 9–7C reveals destruction

of the right basal ganglia and thalamus as well as severe damage to most of the cerebral cortex of the right hemisphere.

Additional areas of damage include the left posterior thalamus and posterior parietal cortex with moderately severe

atrophy of the rest of the left hemisphere. Resting fluorodeoxyglucose-positron emission tomography measurements of the

patient’s brain demonstrated a widespread and marked reduction in cerebral metabolism to less than 50% of normal

across most brain regions. Several isolated and relatively small regions in the left hemisphere, however, expressed higher

levels of metabolism (yellow color indicates values greater than 55% of normal). Magnetoencephalographic analysis of

responses to bilateral auditory stimulation (C, D) demonstrated a time-locked response in the high-frequency (20 to 50 Hz)

range restricted to the left hemisphere reduced in amplitude, coherence, and duration compared with normal controls.

194

Source localization of the time-varying magnetic field obtained from the averaged response identified sources in the left

(D) but not right (C) temporal lobe, consistent with preservation of a response from Heschl’s gyrus. (From Schiff et al.,

117

with permission.)

368

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---

communication. MCS patients may show con-

sistent evidence of command following with

visible motor responses that cannot be used to

establish communication. Neuroimaging stud-

ies in such MCS patients also show preserva-

tion of large-scale cerebral networks (see be-

low). As a result, it is unclear from the methods

used in the Owen study whether or not the

patient’s level of consciousness was consistent

with MCS or a higher level of recovery.

FUNCTIONAL IMAGING OF

MINIMALLY CONSCIOUS STATES

Only a few studies have examined brain activity

in MCS.

121

In five MCS patients,

15

O-PET

identified activation of auditory association

regions in the superior temporal gyrus not seen

in PVS patients.

122

In addition, stronger cor-

relation of the auditory cortical responses with

frontal cortical regions was observed in both

MCS patients and control subjects than in PVS

patients. Median nerve electrical stimulation

activated the entire pain network, similar to the

response in normal subjects

123

(see Figure 9–

6). These findings stress the need for analgesic

medications when MCS patients undergo pain-

ful procedures.

Multimodal imaging studies using functional

MRI activation paradigms and FDG-PET

in two MCS patients near emergence from

MCS uncovered unexpected evidence of widely

Figure 9–9. Command following in posttraumatic brain injury vegetative state (VS) at 5 months. A 23-year-old woman

with clinical examination consistent with VS, with the exception of brief periods of visual fixation, following severe

traumatic brain injury was asked to imagine playing tennis or walking throughout her own house. The regionally selective

brain activation patterns obtained from functional magnetic resonance imaging measurements for each condition were

identical to those of normal controls. (From Owen et al.,

120

with permission.)

Consciousness, Mechanisms Underlying Outcomes, and Ethical Considerations

369

---

preserved large-scale cerebral network re-

sponses

121

(Figure 9–10). Both patients suf-

fered sudden brain injuries (blunt trauma,

spontaneous intracerebral hemorrhage) leaving

them in MCS for longer than 18 months. The

acute phase of injury of each patient included

herniation to a midbrain level. This historical

feature is commonly associated with MCS and

other poor outcomes following traumatic brain

injuries as a result of focal infarction or indirect

(axonal shearing, ischemic) damage.

124

Neither

patient demonstrated consistent command fol-

lowing or functional communication (either ges-

tural or verbal) on repeated examinations. Both

patients, however, did demonstrate best re-

sponses that included command following or

occasional verbal output (single words).

Significant fluctuations in their responsive-

ness occurred across examinations. Figure

9–10 shows cortical activity for one patient and

one normal control associated with receptive

language comprehension during presentation

of 40-second narratives prerecorded by a fa-

miliar relative, presented as normal speech, and

also played as time reversed (backward). Brain

activations in response to normal speech are

shown in yellow. Selective responses to back-

ward presentations are shown in blue. Normal

speech generated robust activity in language-

related areas of the superior and middle tem-

poral gyri for both the control subject and the

MCS patient. In addition, the normal speech

stimuli produced brain activations in the MCS

patient’s brain in the inferior and middle frontal

Figure 9–10. Functional mag-

netic resonance imaging (MRI)

maps obtained during listening to

spoken narratives, in a minimally

conscious state patient (left) and

control subject (right) measured

by functional MRI. Yellow color

indicates response to spoken

narratives, blue color indicates

response to time-reversed narra-

tives, and red color indicates

regions of overlapping response to

both conditions. See text for de-

tails of paradigm. (Adapted from

Schiff et al.,

121

with permission.)

370

Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

---