Kijken in plakjes; Nipkov-schijf verbetert confocale microscoop

MEER DAN VEERTIG jaar geleden bekeek de jonge Marvin Minsky in een bescheiden laboratorium aan de Universiteit van Harvard door een microscoop de cellen in een stukje hersenweefsel. Frustrerend werk, want dergelijke neuronen hebben enorme uitlopers. Wat Minsky ook deed, hij slaagde er niet in een goed beeld te krijgen van de cellen en hun onderlinge verbindingen, en daar was het hem om te doen.

Het zat hem zo dwars dat hij zijn werk liet liggen en diep nadacht. Dat hielp: in korte tijd vond hij een verrassend simpele oplossing voor zijn probleem. Hij bedacht dat het mogelijk moest zijn om het monster via een klein gaatje in één enkel punt te belichten en alleen van dát punt een scherpe afbeelding te maken. Nu levert één punt nog geen plaatje, maar door dit een groot aantal keren op steeds een iets andere plaats te herhalen, zou alsnog een overzichtsbeeld kunnen worden opgebouwd, overal volledig scherp. Bovendien kon het 'belichtingspunt' ook dieper in het monster worden gelegd. Zo kon een driedimensionaal object - Minskys neuronen - als het ware plakje voor plakje worden afgebeeld, waardoor zelfs een ruimtelijk microscopisch beeld zou worden verkregen.

Minsky vroeg (en verkreeg) een paar jaar later octrooi op zijn methode. Maar opgeschoten was hij nog niets: op dat moment bestond er nog geen voldoende krachtige lichtbron voor zijn confocale microscoop. Bovendien ontbrak de techniek om een beeldpunt met grote snelheid door een monster te bewegen en de sterkte van het licht op elk punt te meten en op te slaan: het was vijf jaar voor de uitvinding van de laser en de computers waren lang niet snel genoeg. De uitvinding ging de kast in, Minsky legde zich toe op de meer theoretische aspecten van onze hersenen en groeide uit tot een van de grondleggers van het vakgebied van de Kunstmatige Intelligentie.

Pas eind jaren zeventig werd zijn confocale microscoop weer tot leven gewekt. Toen slaagden een aantal fysici - onder wie de Nederlander Fred Brakenhoff - erin Minskys bouwtekening voor het eerst in de vorm van een werkend prototype te realiseren. Sindsdien is de confocale microscopie uitgegroeid tot een bijzonder populaire techniek, met name in de biologisch-medische hoek. Zo kunnen prachtige beelden worden verkregen van de (kluwen) chromosomen in de cellen van plantenwortels.

SPIRAALPATROON

Toch bleven er nadelen. Zo duurt het nog altijd vrij lang voordat een beeld is opgenomen. Voor een redelijke resolutie moeten zowel van links naar rechts als van boven naar beneden zo'n 250 punten worden gescand. Bovendien gaat het om zwart-wit beelden: er wordt gewerkt met een monochromatische laser. Toch bestond voor beide problemen een oplossing. Al in 1968 had een Tsjechische fysicus een wel heel slimme variatie gevonden op Minsky's confocale principe. Hij maakte daarbij gebruik van een Nipkov-schijf: een dunne, snel draaiende schijf waarin volgens een bepaald spiraalpatroon vele gaatjes zijn geboord. Door de schijf met een lamp te belichten werd in feite een groot aantal confocale microscopen tegelijk verkregen: allemaal lichtpuntjes waarmee het monster snel kon worden afgescand.

Toch was men er ook toen nog niet helemaal. De totaal beschikbare hoeveelheid licht die de schijf kan passeren is afhankelijk van het aantal gaatjes. Deze mogen echter niet te dicht op elkaar zitten, omdat ze dan elkaars signaal gaan oppikken. Er zou overspraak optreden, waardoor het confocale effect gedeeltelijk verloren gaat. De methode werkt dus alleen dan wanneer er door de schijf veel licht wordt tegengehouden. Zwak fluorescerende monsters kunnen daarom niet worden afgebeeld. De oplossing voor het 'confocale probleem' kwam enkele jaren geleden van Brakenhoff. Die ontwikkelde aan de Universiteit van Amsterdam zijn bilaterale scanner, waarin gebruik wordt gemaakt van een snel ronddraaiende, dubbelzijdige spiegel. Daarmee konden voor het eerst met grote snelheid beelden van zwak fluorescerende monsters worden opgenomen.

Er valt dus op zijn minst een vraagteken te plaatsen bij de onlangs met veel rumoer gepresenteerde 'major advance' op het gebied van confocale microscopie (Nature, 31 oktober). Hiervoor werd opnieuw een Nipkov-achtige schijf gebruikt, maar nu eentje waarin bewust veel meer gaatjes waren aangebracht. Daardoor kan er vanzelfsprekend meer licht naar het monster worden geleid, ongeveer de helft van het licht van een sterke lamp. Het patroon op de schijf is echter zodanig gekozen dat door de nu onvermijdelijke overspraak behalve het confocale beeld precies ook een gewoon microscoopbeeld wordt gevormd. Dat kan er echter razendsnel van worden afgetrokken.

Uiteindelijk kunnen met deze methode zo'n twintig beelden per seconde worden opgenomen, bijna de weergavesnelheid van een videorecorder. Ter illustratie van hun microscoop laten de onderzoekers (van de universiteit van Oxford) een beeld zien van neuronen uit de hersenen van een twee dagen oude muis. Eindelijk krijgt Minsky dus waar hij veertig jaar geleden om zat te springen.