En Matrioshka-hjerne er en hypotetisk megastruktur i rummet foreslået af Robert Bradbury, baseret på Dyson-kuglen, med en enorm beregningskapacitet. Det er et eksempel på en klasse B stjernemotor, der anvender hele en stjernes energiproduktion til at drive computersystemer.

Konceptet om en matrioshka-hjerne stammer fra ideen om at bruge Dyson-kugler til at drive en enorm computer i stjernestørrelse. Udtrykket “matrioshka-hjerne” stammer fra matryoshka-dukker, som er russiske trædukker i redekasser. Matrjosjka-hjerner består af flere Dyson-kugler, der er indlejret i hinanden, på samme måde som matrjosjka-dukker er sammensat af flere indlejrede dukkedele. Den inderste Dyson-kugle i matrioshka-hjernen ville trække energi direkte fra den stjerne, den omgiver, og afgive store mængder spildvarme, mens den beregner ved en høj temperatur. Den næste omkringliggende Dyson-kugle vil absorbere denne spildvarme og bruge den til sine beregningsformål, samtidig med at den selv afgiver spildvarme. Denne varme vil blive absorberet af den næste kugle og så videre, idet hver kugle afgiver mindre varme end den foregående. Af denne grund vil matrioshka-hjerner med flere indlejrede Dyson-kugler være mere effektive, da de vil spilde mindre varmeenergi. De indre skaller kunne køre ved næsten samme temperatur som selve stjernen, mens de ydre skaller ville være tæt på temperaturen i det interstellare rum. De tekniske krav og ressourcer, der er nødvendige for dette, ville være enorme.Teoretisk set kunne hele arter simulere universer, civilisationer og planeter.