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一心一忆，一线生机！
灰太狼受神秘人袭击后被抓走，小羊们根据蛛丝马迹将他寻回，却发现灰太狼眼神变得空洞呆滞，疑似大脑受到损伤。为解救同伴，喜羊羊带着伙伴们借助灰太狼发明的“脑波机”进入到灰太狼的大脑世界，他们在脑海里一个个光怪陆离的区域中历险，同时也认识到很多新的朋友，帮助他们探求真相找寻让灰太狼恢复正常的方法。大家历尽艰险眼看真相快要浮出水面了，不料灰太狼突然陷入昏迷，更大的危机正步步逼近……
灰太狼为庆祝成功研制脑波仪，在家中与小羊们举办派对。可是只身一人的灰太狼突然遭到了狼族特工的袭击，小羊们和红太狼齐力击退了他们，灰太狼却陷入了昏迷
小羊们误打误撞地遇到了假扮成列车长的茶太狼，得知这里是灰太狼脑内的中枢车站。他们登上了剩下的一辆陈旧的神经列车，摆脱了士兵的追击，直奔灰太狼脑中的想象区
小羊们来到了想象区，被迫成为了屡战屡败的黑大帅的“狼堡破坏者”队员。黑大帅在一次行动中突然失踪，赶来的小羊们被灰太狼当作凶手关进了大牢
小羊们从笼子里逃了出来，却发现城堡的房间中都是天马行空的场景，无从逃脱。幸运的是，懒羊羊从灵感扭蛋中得到了“无限面包”并帮助大家离开城堡。然而，本以为逃出生天的小羊们却陷入了七大恶狼的夹击之中
被拆散的小羊们兵分两路，懒羊羊和暖羊羊伪装成了小灰灰的家庭教师。另一边，玩具熊带领其他玩具设下骗局，希望借助喜羊羊等人见到他们的偶像灰太狼，喜羊羊看出了马脚并拆穿了他们。就在这时，可怕的事情发生了
假扮成家教的二人由于真家教的出现而匆忙逃跑。另一边，美羊羊得到了梦幻变身棒，在与灰太狼共同击败怪兽之后，发现它竟是玩具们假扮的。没有了怪兽的嫌疑，美羊羊等人再次被神秘机关抓了起来
醒来的喜羊羊等人发现自己是被灰太狼脑中的慢羊羊抓了起来，原来是慢羊羊为了找到居民失踪的凶手而糊涂抓人。他们放走被误抓的居民后，沸羊羊和美羊羊误入了机关密布的展览室，喜羊羊则被慢羊羊纠缠着参观发明。沸羊羊从展览室中得到了爆炎球拍，击败了机器人
逃出狼堡的懒羊羊与暖羊羊在前往发明研究院找喜羊羊等人的路上碰到了狼堡守护者，懒羊羊不幸被抓。暖羊羊利用各人的特点将其逐个击破，解救了懒羊羊。在逃跑的路上，暖羊羊从灵感扭蛋中得到了空间剪，并借此带领懒羊羊成功逃脱追击
失去耐心的茶太狼决定亲自上场，却在无意间帮助了沮丧的玩具熊重拾信心。同时，找到了吃掉居民的怪物并告诉了狼堡守护者。另一边，众羊齐力对抗怪物，在危急时刻，喜羊羊带着慢羊羊（想象区）发明的时间掌控者挽回了局面。就在这时，更多的怪物出现了
小羊们与灰太狼携手击败了众多的怪物，解救了居民并且消除了误会。然而，在庆功宴上，一声巨响打破了宁静。灰太狼带着狼堡守护者前去查看，竟发现还有一只最大的怪兽藏在了皇冠里，周围还在不断出现小的怪兽
在两队守护者的齐力协作下，喜羊羊成功救出了被大怪物吞进体内的灰太狼，将他带到了较为安全的车站。他们得知，怪物就是灰太狼从小到大遭受过的否决和非议。众人决定帮助灰太狼击败怪物，然而，灰太狼却萎靡不振，心如死灰
在居民们和狼堡守护者的帮助下，小羊们成功打开了灰太狼被堵住的脑洞。脑洞中的灵感爆发了，使灰太狼重新振奋了起来。灰太狼回到了小镇上，击败了合体的怪物，想象区回归正常
小羊和茶太狼在前往下一站的路上遇到了脑士兵的追击。心世界之外，村长和红太狼不了解脑波仪便随意操作，给小羊们带来了不小的麻烦。树林中，柴太狼想要抓住小灰灰以威胁得到灰太狼，然而不走心的手下们却将小灰灰送回了狼堡
脑士兵要将小羊们扔进潜意识深渊，而逃走的茶太狼无法独自通过运动区，便无奈折返去救小羊。柴太狼伪装成士兵到了小羊旁边，然而就在即将成功的时候，柴太狼露出破绽而和小羊一起被抓。在下落时，暖羊羊保持镇定，抓住了时空剪救回了大家
小羊们来到了灰太狼脑中的运动区，由于电梯超载，导致小尾巴迟到。沸羊羊因不忍小尾巴因迟到被罚而与队长进行较量，当比赛进入白热化时，小飞机误将灰太狼尾巴烫伤。村长检查后发现正是尾巴的运动帮助灰太狼的身体坚持下来
小羊们来到了躯干区，发现队长正辛苦地照顾着他的队员们，决定顶替队长让他休息一段时间。然而，小羊们对于队员们的要求心有余而力不足，疲惫不堪。不放心队员们的队长折返了回来，在背后纠正小羊们的问题。在动能仪即将坍塌的紧急关头，队长果断出手，救出了危险之中的队员。队员们被队长的精神所感动，众人合力恢复了躯干区的运转
运动区的手和脚互相看对方不顺眼，冲突不断，喜羊羊想到了让他们交换位置换位思考的方法。当他们交换位置之后，双方都无法胜任对方的工作，灰太狼的手脚四处挥舞着。在这时，柴太狼潜入灰太狼所在的房间想要带走他，却被乱动的灰太狼揍了一顿，落荒而逃。最后，手和脚都意识到了对方的重要性，重归于好
在脖子区，脖哥因为总队长失踪后懒得运动，一直吃吃吃，越来越胖变得不想动。小羊们想了各种方法试图让脖哥动起来，但是因为脖哥实在太懒而都失败了。最后村长使用他的新发明刺激灰太狼的脖子，成功让脖哥成功瘦了下来
小羊们来到了控制室，分开调查却没有结果。懒羊羊为了引总队长回来而随意操作控制台，导致运动区一片混乱，灰太狼的身体也在乱动。手、脚轮流操作控制台，恰好回击了前来带走灰太狼的柴太狼等人。然而脖哥进行高难度操作使灰太狼身体过载，柴太狼等人得逞。喜羊羊由于地上的果汁追查到到了放拖把的房间，在房间中，众人发现了一种危险且未知的东西
小羊们找到了总队长，并且意识到了那些黑色的东西会让人变得又胖又懒。大家想到了脖哥恢复的过程，带着总队长前往各个区域运动。终于，总队长成功甩掉了黑色物质，恢复了正常。在这时，村长和红太狼为救被带走的灰太狼而陷入了危险之中，幸运的是灰太狼的运动区及时恢复了运转，击败了柴太狼
