21世紀被人稱作「大腦的時代」，本劇將通過最前沿的醫藥科學來對這個概念進行詮釋。大腦是人類一切活動的源頭——從我們愛誰，到我們的行為，再到我們的感覺。但大腦的許多方面對人類來說仍然是待解之謎，所以醫生們通常將它稱作「人體的黑匣子」。
Catherine Black（Kelly Reilly）是一位世界聞名的神經病學專家，供職於具有國際領先技術水平的醫學研究機構「立方體」（The Cube）。Catherine聰明、美貌，在業界的成就無人能及，但她卻隱藏了一個黑暗的秘密：盡管她是研究大腦的專家，但她自己卻患有嚴重的躁郁癥。她被迫將真相告訴自己的心理醫生Hartramph：她已經越來越不能控制自己的這種疾病，這意味著她越來越不能控制自己的大腦和身體。
在每一集中，Catherine和她的團隊將向觀眾在電視熒屏上從未見過的奇特病例發起挑戰，但這些神秘的大腦疾病不會被輕易征服。感人的、奇妙的、怪誕的、充滿視覺特效的醫學故事將和主要角色的個人故事相互交織在一起。病人們的大腦通常已經進入具有高度神秘色彩的「幻覺世界」——幻覺越逼真，就說明他們所處的情況越危險。當Catherine和她的團隊全力救治這些病人時，觀眾將通過這些病人的雙眼體會到一種身臨其境的感覺——一種「自己真的重病纏身」的感覺。Catherine對病人具有一種特殊的洞察力，這使得她和病人能在「更高的層次上」進行溝通交流，這是別的醫生不可能擁有的「天賦」。「立方體」新來了一個名叫Ian Bickman的神秘醫生，這個愛鬧的同事無論從哪方面來說都和Catherine旗鼓相當。在家中，Catherine的男友催促她盡快與他完婚。可是他如果知道未婚妻有不為人知且難於控制的一面會作何決定？