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臨床心理学者チェ･スヒョンは、「女に真の愛はない」という仮説の実証実験に取り組んでいる。 階下で占いカフェを営むコ･ヘリムとは犬猿の仲だが、ひょんなことから顧問として雇う羽目になってしまった。そこへ、突然視力を失った体操選手イ･マリが心理相談を受けに来た。

スヒョンとヘリムは衝突しつつも、互いの能力を生かしてイ･マリをトップ選手に返り咲かせた。 ヘリムを使った秘密の心理実験に、スヒョン自身も参加することにする。彼はライバル２人を横目に心理学の知識を使って女心をつかもうとするが、途中でヘリムに気づかれてしまう。

演技性人格障害を患う歌手ジュニは、心理相談センターの男性陣を誘惑すると同時にヘリムを敵視する。 ある日突然、ヘリムの元夫が訪ねてきた。アメリカ留学中の娘を、今の妻との家庭で育てたいという。ヘリムは憎んできた元夫と妻に愛娘を託すことにした。 スヒョンは落ち込むヘリムを温かく励ましたあと、一転して冷たく接するなど飴とムチで気を引こうとする。

心理実験の中間チェックで思いがけず最下位となったスヒョンは、ヘリムに好かれようとあの手この手でアピールし始める。 歌手のジュニは、ヘリムとの口論がきっかけで胸に秘めていた過去を吐露し、治癒へのきっかけをつかんだ。

妹の友人ソンホのせいで、ヘリムは留置場に入れられてしまう。彼女に会うため、スヒョンはわざと弟のスクーターを壊して逮捕された。 第１次予備実験の被験者に会ったヘリムは、本当の目的を知って激怒する。だがスヒョンは、ヘリムに対する実験は別物だと言い張るのだった。

ヘリムに本気で恋してしまったスヒョンは、実験の男Ａ役を別人に譲る。だが嫉妬心を抑えきれず、２人のデートを妨害してしまう。 一方、退職勧奨を受けたヘリムは辞職を決意する。新たな男Ａとの出会いにときめくが、彼とスヒョンとの関係に疑いを抱く。

解離性障害を患うユソンは、時折、対照的な性格のエマとなる。治療への協力を求められたヘリムは、エマと友達になった。 スヒョンへの疑いを拭えないヘリムは、自分が参加している心理実験が“マダム･アントワン”という作戦名を持つことを突き止めて問いただす。だがスヒョンは、キスで応じたのだった。

実母と別れた時の記憶を取り戻したスヒョンは、自分が抱える問題の原因に気づく。さらに、スヒョンの心の傷を癒やすべくヘリムが陰で奮闘していたことを知り、心理実験とは別に本気で愛を告げたのだった。

ヘリムとスヒョンは正式に付き合い始めた。２回目のfMRI検査で、スヒョンは98％という高い値を得る。 だが２次実験もあると知ったスンチャンがヘリムにスヒョンの正体を暴露し、企画書のある金庫を教えた。金庫破りに成功したヘリムは、ついに実験の真相を知る。

Finally discovering the truth of the experiment, Helga assigns Seungchan and Jiho to monitor Soo's every move, plotting her revenge. Soo, sensing Helga's coldness, tries everything to thaw her heart, but Helga plans a counter-experiment to dismantle Soo once and for all.

As Helga begins a counter-experiment, she constantly picks fights and accuses him of losing interest. She demands that Soo undergo an fMRI scan to prove his feelings. As her second strategy, she introduces a young and attractive experiment woman to Soo. However, as Soo and the experiment woman grow closer, Helga finds herself extremely jealous.

Disappointed with Soo for continuing the experiment, Helga breaks up with him, leaving Soo hurt and confused by her sudden change. Despite her anger, Helga can't let go of her love for Soo. Meanwhile, Soo discovers that Tae-hwa impersonates him. While following Tae-hwa, Soo finally uncovers his secret.

Helga's jealousy erupts with the sudden appearance of Soo's ex-lover. At a party, Miran's confession of her feelings for Seungchan is revealed, causing her to flee in embarrassment. Meanwhile, Soo sends Helga a flower basket as a task. It is only upon receiving Helga's heartfelt video message that Soo finally understands the depth of her love.

Upon hearing about Miran's thyroid cancer, Seungchan goes to Jeju Island to find her. Meanwhile, Soo, realizing his love for Helga, decides to finally end the experiment and contemplates how to convey his true feelings to her. At the same time, Helga plans an unforgettable "special" date for Soo.

After Helga leaves Seoul, Soo struggles with the pain of her absence. He musters the courage to meet Yeonhee, but she barely remembers that she had abandoned him. Soo finds himself utterly broken and alone.

Helga is shocked by Yurim's pregnancy news, and Miran decides to undergo surgery after Seungchan's persuasion. To comfort Soo, Helga takes him to a place from his childhood, where he confronts his younger self. Meanwhile, Helga's anxiety grows due to Soo's unpredictable behavior, and she receives a mysterious letter.