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La réalité n'est qu'un souvenir. Barry Sutton, flic désabusé de la police new-yorkaise, enquête sur une vague de suicides engendrée par le Syndrome des Faux Souvenirs, une maladie neurologique inexpliquée dont les victimes se remémorent une vie qu'ils n'ont jamais vécue. Parallèlement, Helena Smith, une neurologue travaillant sur la mémoire, est recrutée par le richissime Marcus Slade pour développer un dispositif permettant d'enregistrer les souvenirs, officiellement pour lutter contre la maladie d'Alzheimer.
Mais Slade comprend bientôt que cette invention peut faire bien plus que cela, et ses ambitions font peser sur la réalité elle-même un danger inouï. Seuls Helena et Barry, en joignant leurs forces, ont une chance de l'arrêter...