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

down-regulation of cortical, thalamic, or basal

ganglia neuronal populations through passive

inhibition secondary to deafferentation is a

possible source of functionally reversible al-

teration of cerebral network function. Intrinsic

neuronal membrane properties allow nonlin-

ear state changes on the basis of small devia-

tions in excitation. In vivo experimental studies

demonstrate that the loss of excitatory drive

to neuronal populations as a result of transsy-

naptic down-regulation produces a powerful

form of inhibition that hyperpolarizes the neu-

ronal membrane potential.

149

In cerebral cor-

tex

150

and basal ganglia,

151

up and down states

have been identified in in vitro studies com-

parable to burst and tonic mode firing in the

thalamus (Chapter 1). The potential interplay

of these mechanisms in the setting of brain

injury remains to be unraveled, but the ob-

servations suggest mechanisms by which large

connected networks of potentially functional

systems might remain dormant despite a bal-

ance of neuromodulators producing a wakeful

EEG and arousal pattern.

152

Other types of alteration of the balance of

excitation and inhibition, particularly hypersyn-

chronous discharges, may play a key role. Ex-

perimental studies have shown increased excit-

ability following even modest brain trauma that

may promote epileptiform activity in both cor-

tical and subcortical regions.

153,154

Hypersyn-

chronous activity within relatively restricted

networks may underlie several different clinical

phenomena following structural brain injuries.

For example, a patient fluctuating from classic

akinetic mutism to interactive awareness fol-

lowing an encephalitic injury

155

had epilepti-

form activity in the thalamus that appeared only

as surface slow waves in the EEG. Such a mech-

anism might also explain a reported case of

episodic remission of akinetic mutism.

91

A 52-

year-old man remained in an akinetic mute state

following the rupture of a basilar artery aneu-

rysm with infarcts in the thalamus and basal

ganglia. This behavioral state persisted without

change for 17 months, at which time a sponta-

neous fluctuation in behavioral state occurred,

described as a return to his ‘‘premorbid state,

with full return of his demeanor and affect.’’

The patient’s functional recovery lasted 1 day

and then he relapsed. One year after this event,

the patient had a second ‘‘awakening’’ following

a grand mal seizure. Electroconvulsive therapy,

tried empirically, also reproduced the change.

A related mechanism may explain the late

emergence from MCS reported by Clauss and

colleagues.

127

A 28-year-old man suffered a

diffuse axonal injury (presumably grade III

with subcortical hemorrhages in the basal gan-

glia, thalamus, and brainstem). Spontaneous

eye opening with a GCS of 9 persisted for 3

years following injury until 10 mg of zolpidem

(a GABA

A

potentiator that binds to many of

the same sites as benzodiazepines) was admin-

istered. Within 15 minutes of administration,

the patient began to speak and was able to

respond to questions with ‘‘yes or no’’ answers

and ultimately demonstrated intact remote and

immediate memory. Temporary remission of

chronic aphasia in a 52-year-old woman 3 years

following administration of zolpidem has also

been reported.

156

In this patient, regional ce-

rebral blood flow (CBF) measurements using

SPECT demonstrated a 35% to 40% increase

in the medial frontal cortex bilaterally, and left

middle frontal and supramarginal gyri (Broca’s

area) 30 minutes after zolpidem ingestion. Sim-

ilar mechanisms most likely underlie the well-

publicized cases of Gary Dockery (‘‘The Coma

Cop’’) and Donald Herbert, a fireman who

made international headlines in 2005 with a

marked recovery of speech and cognitive func-

tion after 9 years of remaining in MCS fol-

lowing traumatic brain injury.

Injury to the paramedian thalamus (intra-

laminar and related thalamic nuclei) and upper

brainstem alone can produce widespread hemi-

spheric transsynaptic down-regulation,

157,158

as well as a variety of paroxysmal disturbances.

Most common among the types of paroxysmal

alterations in brain dynamics following injury

to the paramedian thalamus are generalized

epileptic seizures, typically variations of the

3/s spike-and-wave form.

90,159

Other less well-

known phenomena, such as oculogyric crises,

are also associated with injuries to this region.

160

Hypersynchronous discharges restricted to the

thalamostriatal system might also account for

forms of catatonia

161,162

and the obsessive-

compulsive disorder infrequently observed

after brain injuries.

163

Thus, damage to the up-

per brainstem and medial thalamus, in combi-

nation with other cerebral injuries, may lead to

a variety of partially reversible mechanisms of

dysfunction that could contribute to a reduced

baseline activity in severely disabled patients

and provide a structural basis for wide varia-

tion in functional performance. Overreliance

Consciousness, Mechanisms Underlying Outcomes, and Ethical Considerations

375

---