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Deux personnes qui se sont aimées, continuent de s'aimer après la mort de l'une d'entre elles.

Le dramaturge Richard Collier présente sa première pièce, lorsqu'une vieille dame l'aborde et lui demande de revenir vers elle, comme s'ils se connaissaient depuis longtemps. Intrigué, le créateur mène l'enquête et s'enfonce petit à petit dans un passé inconnu et lourd de sens.

Max, brillant mathématicien, souffrant de migraines intolérables, est néanmoins sur le point de faire la plus grande découverte de sa vie : décoder la formule numérique qui se cache derrière le marché des changes. C'est alors que tout bascule dans un immense chaos. Il est à la fois poursuivi par une grande firme de Wall Street qui souhaite dominer le monde de la finance, et par des cabalistes qui tentent de percer les mystères enfouis derrière les nombres secrets.

Un schizophrène découvre l'existence d'une société secrète vieille de plusieurs siècles, la Cognomina. Les membres ont un souvenir précis de leur vie passée et certains ont même contribué à des changements importants dans l'Histoire. Afin d'arrêter les projets d'un cerveau maléfique qui souhaite la destruction de la planète, le groupe doit faire équipe avec l'homme au trouble psychiatrique. Les hallucinations de ce dernier sont en fait des souvenirs d'au moins deux de ses vies passées.

Joel et Clementine ne voient plus que les mauvais côtés de leur tumultueuse histoire d’amour, au point que celle‐ci fait effacer de sa mémoire toute trace de cette relation. Effondré, Joël contacte l’inventeur du procédé Lacuna, le Dr. Mierzwiak, pour qu’il extirpe également de sa mémoire tout ce qui le rattachait à Clémentine. Deux techniciens, Stan et Patrick, s’installent à son domicile et se mettent à l’œuvre, en présence de la secrétaire, Mary. Les souvenirs commencent à défiler dans la tête de Joël, des plus récents aux plus anciens, et s’envolent un à un, à jamais. Mais en remontant le fil du temps, Joël redécouvre ce qu’il aimait depuis toujours en Clémentine – l’inaltérable magie d’un amour dont rien au monde ne devrait le priver. Luttant de toutes ses forces pour préserver ce trésor, il engage alors une bataille de la dernière chance contre Lacuna…

En 1947, étudiant les mathématiques à l'université de Princeton, John Forbes Nash Jr., un brillant élève, élabore sa théorie économique des jeux. Pour lui, les fluctuations des marchés financiers peuvent être calculées très précisément. Au début des années cinquante, ses travaux et son enseignement au Massachusetts Institute of Technology ne passent pas inaperçus et un représentant du Département de la Défense, William Parcher, se présente à lui pour lui proposer d'aider secrètement les États‐Unis. La mission de John consiste à décrypter dans la presse les messages secrets d’espions russes, censés préparer un attentat nucléaire sur le territoire américain. Celui‐ci y consacre rapidement tout son temps, et ce au détriment de sa vie de couple avec Alicia. Ce job n'est toutefois pas sans risques : des agents ennemis surveillent ses moindres faits et gestes. Mais personne ne le croit.

Sam Bell vit depuis plus de trois ans dans la station lunaire de Sarang, où il gère l'extraction de l'hélium 3, seule solution à la crise de l'énergie sur Terre. Souffrant en silence de son isolement et de la distance le séparant de sa femme et de sa fille, il passe son temps à imaginer leurs retrouvailles. Mais quelques semaines avant la fin de son contrat pour l'entreprise Lunar, Sam se met à voir et à entendre des choses étranges...

Dans une maison éloignée de la civilisation vit un homme solitaire. Il décide d'interroger des âmes humaines ayant une chance de naître.

Atteint d’une maladie incurable, Cameron Turner se voit proposer une solution expérimentale pour protéger sa famille du deuil. Mais sa décision pourrait à jamais changer leur destin. Une réflexion brillante sur l’amour, le deuil et le sacrifice.

Los Angeles, dans un futur proche. Theodore Twombly, un homme sensible au caractère complexe, est inconsolable suite à une rupture difficile. Il fait alors l'acquisition d'un programme informatique ultramoderne, capable de s'adapter à la personnalité de chaque utilisateur. En lançant le système, il fait la connaissance de 'Samantha', une voix féminine intelligente, intuitive et étonnamment drôle. Les besoins et les désirs de Samantha grandissent et évoluent, tout comme ceux de Theodore, et peu à peu, ils tombent amoureux…

La psychologue Catherine Deane participe à l'expérimentation d'un procédé thérapeutique révolutionnaire qui lui permet de visiter littéralement les esprits de patients inconscients. Lorsque le FBI lui demande d'utiliser cette technique pour pénétrer dans le cerveau de Carl Stargher, un tueur en série tombé dans le coma, elle ignore l'expérience traumatisante qui l'attend. Elle doit localiser la cellule piégée où est enfermée la dernière victime de Stargher. Entre répulsion et fascination, elle progresse dans le dédale psychologique du tueur, jusqu'à devenir une proie...

L'astronaute John lutte pour conserver sa santé mentale lors d'une mission vers Titan, lune de Saturne. Les cycles de sommeil prolongés et les anomalies du vaisseau Odyssey 1 altèrent sa perception de la réalité, menaçant le succès de la mission.

Le détective privé Mike Church enquête sur les personnes disparues. Appelé par les sœurs d'un couvent de Los Angeles, il accepte d'aider Grace, une jeune femme amnésique, à retrouver sa famille. Son enquête le mène jusqu'à Franklyn Madson, un antiquaire-hypnotiseur, grâce auquel il découvre que les cauchemars de Grace se réfèrent à l'assassinat de la pianiste Margaret Strauss par son mari en 1949.

À San Francisco, Miles Harding, architecte, réservé et introverti, travaille à la création d’un nouveau type de briques qui résisterait aux séismes. Il est distrait, souvent en retard, sur les conseils d'un collègue, se force à acheter un organisateur électronique. Mais la vendeuse, perspicace, lui vend un ordinateur Pinecore dernier modèle. À la suite d'eau renversé dans les circuits électronique, l'ordinateur se voit doté d'une capacité d'apprendre, de penser et d'exprimer des sentiments comparables à un être vivant. Conjointement, une nouvelle voisine emménage, une violoncelle professionnelle, Madeline Robistat, qui ne laisse pas Miles indifférent. Un triangle amoureux va opposer Miles et son ordinateur pour la conquête de Madeline.

Adam, un jeune garçon prometteur et sans histoires, commence à entendre des voix et avoir des visions. Il est diagnostiqué schizophrène mais préfère garder le secret à l'école. Vivant dans la peur que quelqu'un découvre sa maladie, il se rapproche avec Maya, qui l'inspire à ouvrir son cœur et à ne pas être défini par sa condition. Avec le soutien de sa famille et grâce à cet amour naissant, Adam espère pour la première fois qu'il pourra traverser les obstacles qui l'attendent.

George Malley est le garagiste ordinaire d'une petite ville ordinaire des États-Unis aux habitants ordinaires. Mais le soir de son trente-septième anniversaire, cet homme à l'existence paisible est pris d'un appétit insatiable de connaissance et se découvre des pouvoirs et des facultés intellectuelles insoupçonnées. Il se lance dans d'ingénieuses expériences scientifiques. Ce qui provoque méfiance et incompréhension autour de lui. Seule Lace, une jeune femme qui s'est récemment installée dans la ville avec ses deux enfants, semble accepter cette métamorphose.

Trente enfants sont envoyés dans l'espace, dans le cadre d'une mission visant à peupler une exoplanète habitable, récemment découverte. Le voyage durera 86 années et leurs propres petits-enfants coloniseront la nouvelle planète. Mais le capitaine, seul adulte de l'équipage, décède dans de mystérieuses conditions. Les enfants, alors devenus des adolescents, sont livrés à eux-mêmes. Petit à petit, le chaos s'installe à l'intérieur du vaisseau. L'humanité survivra-t-elle ?

Pour garder son travail au sein d'une société biomédicale qui valorise la jeunesse, une femme mûre doit se soumettre à une procédure expérimentale extrême.

La fille d'un mathématicien de génie doit surmonter le décès de son père qui souffrait également d'instabilité mentale. Elle tente d'y parvenir avec l'aide d'un ancien élève de son père qui vient chercher des preuves de son génie alors que sa soeur, qu'elle n'a pas vue depuis longtemps, débarque pour mettre de l'ordre dans les affaires du paternel.

En 2092, Nemo Nobody, âgé de 118 ans, est le dernier mortel vivant dans un monde d'immortels. Il est interrogé sur son passé et se retrouve sous les soins du docteur Feldheim, qui veut l'aider à mettre de l'ordre dans ses souvenirs brouillés. Profondément marqué par le divorce de ses parents et par ses échecs sentimentaux, le vieillard a des trous de mémoire et son témoignage est constitué d’épisodes contradictoires de son enfance, de ses amours et de sa vie conjugale. Nemo Nobody se remémore à travers différents flashbacks ses différentes vies dans des espaces-temps différents. Il imagine alors douze vies parallèles dont chacune est caractérisée par une épouse différente. Les variations de cette arborescence s'en tiennent parfois à très peu de choses, soit une illustration de l'effet papillon. Nemo livre par intermittence au spectateur quelques réflexions sur l'espace-temps, notamment le Big Crunch.