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

gyri, primary and secondary visual areas includ-

ing the calcarine sulcus, and precuneus. The

pattern of brain activations for normal speech

in this patient overlapped with that in the

normal controls. However, different from the

normals, neither patient activated in response to

reversed speech. The findings also indicate

that the functional MRI technique alone is in-

sufficient to characterize the presumably wide

differences in brain function that separate the

patients and the control subjects. In addition,

unlike PVS patients who fail to produce acti-

vation of polymodal association cortices in re-

sponse to natural stimuli, the two MCS pa-

tients retain potentially recruitable cerebral

networks that underlie language comprehen-

sion and expression despite their inability to

execute motor commands or communicate re-

liably. The preservation of large-scale fore-

brain networks associated with higher cogni-

tive functions such as language provides a

clinical foundation for wide fluctuations some-

times observed in MCS patients. Other inves-

tigators have obtained similar neuroimaging

findings from single MCS patients.

99,125

The same limitations of imaging techniques

for determining awareness in VS/PVS patients

also limit assessment in MCS patients. One can-

not determine whether or not the functional

MRI activations indicate awareness without

communication, and by definition these patients

cannot communicate. In addition, when they

do awaken, they typically are amnestic for this

period of time. Neuroimaging studies of visual

Figure 9–11. Diffusion tensor imaging studies of a patient with late recovery (19 years) from the minimally conscious

state. (A) Magnetic resonance imaging demonstrating diffuse atrophy. (B) Fractional anisotropy maps showing fiber tracks:

red, fibers with left-right directionality; blue, fibers with up-down directionality; green, fibers with anterior-posterior

directionality. Images show volume loss of the corpus callosum throughout the medial component and regions in parieto-

occipital white matter with prominent left-right directionality. (C) Fractional anisotropy maps obtained 18 months after

studies shown in (B) demonstrate reduction of left-right direction in parieto-occipital regions with increased anisotropy

noted in the midline cerebellum (see text). (D) Quantitative comparison of midline cerebellum fractional anisotropy versus

left-right directionality. Open circle, values obtained from patient’s first scan; open square, values obtained from second

scan; filled circles, values from 20 normal subjects. (From Voss et al.,

132

with permission.)

Consciousness, Mechanisms Underlying Outcomes, and Ethical Considerations

371

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awareness in patients and normal subjects im-

plicate certain patterns of coactivation across

cortical networks as the principal correlates of

awareness, including coactivation of prefrontal

and parietal cortices along with the occipital-

temporal cortex.

126

Although the activation

patterns identified in the MCS patient shown

in Figure 9–10 include several of these specific

regions, the patient is unable to communi-

cate reliably to indicate whether visual or self-

reflective awareness is present. The coactiva-

tion of prefrontal, parietal, and occipital regions

suggests awareness but is potentially consis-

tentwithotherinterpretations.Similarconcerns

arise in the interpretation of the Owen

120

find-

ings shown in Figure 9–9.

In the future, functional brain imaging tech-

niques in combination with electrodiagnostics

may identify patients with rehabilitative po-

tential, and conversely, those in whom further

recovery is not expected. The introduction of

the MCS nosologic category is aimed at direct-

ing efforts to identify patients who may have

some substrate for further recovery despite

very limited behavioral evidence of awareness.

On the other hand, fragmentary cortical net-

works may remain in VS patients without her-

alding further recovery or signifying aware-

ness. The ‘‘gray zone’’ between VS and the

lower functional boundary of MCS in Figure

9–1 reflects a probable overlap region where

patients may acquire a reliable sensory-motor

loop response of very limited cerebral systems

that, despite contingency with environmental

stimuli, may not reflect awareness or poten-

tial for further recovery. It is critical, then, to

identify residual capacity as opposed to isolated

functional activity in the cortex. This will re-

quire prospective studies of large numbers of

patients with early VS, to determine if there are

indices on functional imaging that can predict

eventual improvement.

POTENTIAL MECHANISMS

UNDERLYING RESIDUAL

FUNCTIONAL CAPACITY IN

SEVERELY DISABLED PATIENTS

The neuroimaging studies reviewed above

raise the question of what mechanisms might

limit further recovery in MCS patients who

harbor widely connected and responsive cere-

bral networks. Fluctuations of cognitive func-

tion in MCS patients

91,127

(and occasional late

spontaneous emergence from MCS [see be-

low]) demonstrate an underlying residual cog-

nitive capacity in some severely injured brains.

At present, no studies have addressed this

question by systematically correlating brain

structural integrity, cerebral metabolism, and

electrophysiology across a large sample of pa-

tients with severe disability. Nonetheless, sev-

eral careful observations of variations in struc-

tural injury patterns, patterns of normal resting

metabolic activity, and abnormal brain dynam-

ics provide potentially important clues and di-

rections for future research.

Variations of Structural Substrates

Underlying Severe Disability

Clinical observations and quantitative mea-

surements of neuronal loss following complex

brain injuries do not support an invariably

straightforward relationship of recovery of cog-

nitive function that is simply graded by the

degree of vascular, diffuse axonal, and direct

ischemic brain damage. Although indirectly

measured volumetric indices do offer some

prediction of long-term outcome in PVS fol-

lowing overwhelming traumatic

71

or anoxic

brain injury,

38

pathologic studies comparing

patients remaining severely disabled following

brain injuries to those remaining in VS dem-

onstrate that severely disabled and some MCS

patients may have only focal brain damage,

whereas PVS patients suffer diffuse axonal in-

jury.

128

Severely disabled patients with diffuse

axonal injury appeared to have lesser quanti-

tative damage than PVS patients. These find-

ings suggest that significant variations in un-

derlying mechanisms of cognitive disabilities

and residual brain function accompany MCS

and other severe but less disabling brain

injuries.

It is also well known that enduring global

disorders of consciousness can arise in the

setting of only focal injuries.

129

These injuries

are typically concentrated in the rostral teg-

mental mesencephalon and paramedian thal-

amus.

112,130

Patients with moderate, diffuse

axonal injury combined with limited focal dam-

age to these paramedian structures have not

been systematically studied, but this pathology

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Plum and Posner’s Diagnosis of Stupor and Coma

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