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シアトル。深夜のドラッグストアで無差別殺人が行われた。検死医のクレイン（レイ・リオッタ）は、現場で奇妙な形に丸められて捨てられていた紙マッチを見つけ、戦慄する…それは1年前、惨殺された彼の妻エレンの現場に落ちていたものと同じだったのだ。当時アルコール中毒だった彼は第一容疑者として逮捕されたが、違法捜査が発覚したため裁判は無効となり、彼は釈放となった。しかしこのため、2人の娘の養育権はエレンの妹ケリー（キム・キャトラル）に奪われた。妻殺しの真犯人をなんとしても見つけたいクレインは、事件の担当の警部ブレスラー（ピーター・コヨーテ）に、妻殺しと今度の事件が同一犯の仕業だと説くが、相手にされない。そればかりか、彼を真犯人だと信じる刑事グレイック(クリストファー・マクドナルド)に冷笑され、かえって疑惑を深める始末。翌夕。脳医学者の学会に出席したクレインは、医学教授のマーサ・ブリッグス（リンダ・フィオレンティーノ）の研究発表に興味をひかれる。彼女の研究では、“記憶の移植は可能”で、すでに動物実験では成功したというのだ。翌朝。マーサの研究室を訪ねた彼は、ラットを使った実験を見せられる。訓練を受けたラットの脳髄液と、数種のアミノ酸と副腎髄質ホルモンを合成して作った誘発剤を移植した別のラットが、迷路を一度も迷わずくぐり抜けた。問題点は誘発剤が心臓に負担をかけすぎ、人体実験は危険すぎるということ。クレインは彼女に自分を使って人体実験をしてくれと頼むが、マーサは彼の様子が普通でないのと、妻殺しの容疑者であるという不安も手伝って拒否する。ところが、クレインはその夜、研究室から誘発剤を、署の検査室から亡き妻の脳髄液を盗み出すと、エレンが殺された現場の自宅の居間へ赴き、薬剤を腕に注射。突然、エレンの記憶が彼の脳裏に鮮烈に甦る。あの夜ひとり帰宅した彼女は、クレイン以外の何者かに襲われたのだ。その恐怖、激痛を、クレインは妻が感じたままにまざまざと味わう。続いてドラッグストアで殺された若い女子美大生の記憶を移植した彼は、暴漢の顔をはっきり脳裏に焼きつけた。犯人の正確な人相書きを作成したクレインは、同僚のエイブリー（デイヴィット・ペイマー）に調査を頼み、それがダットン（キム・コーツ）という札つきの小悪党だと知る。そこへ怒り心頭のマーサが現れ、勝手に薬品を持ち出して実験したクレインをなじるが、彼は取り合わず、ダットンの居場所が知れるや飛び出す。ところがダットンは追いつめられたあげく、駆けつけたブレスラーらに教会で射殺されてしまう。クレインは諦めず、今度はダットンの記憶を移植。驚いたことに、ダットンはエレンを殴り倒しただけで逃げ、その直後に現れた謎の男が彼女を撲殺したことが分かった。真相を追う彼の姿にマーサも打たれ、誘発剤の副作用で心臓発作を起こして入院した彼に代わってエイブリーにエレンのさらなる調査を依頼。するとエレンが浮気をしていて、クレイン以外の男の子の子供を妊娠していたことが発覚。彼女は事件の夜、そのことを話し合ために急ぎ帰宅し、襲われたのだ。相手は検事補だった彼女とは顔見知りの刑事で、事件当夜に自殺未遂。そして現在は植物人間状態で、事情を聞き出す事はできない。その矢先、マーサの実験室が何者かに爆破される。クレインらは件の刑事の脳髄液を入手、現場に再度赴き、録音テープをセット。今度は自分が実験台になると言うマーサをクレインは無理やり制止し、彼の記憶を移植し、真相を知る。真犯人はブレスラーで、ダットンは彼に脅されて利用されただけだった。彼は刑事補だったエレンに、麻薬密売人を殺して金を奪った犯罪を暴かれそうになり、口封じのため彼女を殺したのだ。そしてエレンの浮気だった刑事の頭を撃って自殺を偽装し、彼に罪をかぶせるつもりだったのが計算が狂い、クレインが逮捕されたのだった。すべてを知ったクレインの目の前に、これまたすべてをかぎつけたブレスラーが…マーサともども焼き殺そうと部屋に火をつけるブレスラーをクレインは必死で倒す。しかし証拠品のテープを守ろうとして全身に火傷を負った上、過度の誘発剤の摂取で弱り切った彼は昏睡状態に。マーサに見守られ、彼は死線をさまよいながら、夢の中で妻と娘に再会していた……。