Ein Matrjoschka-Gehirn ist eine von Robert Bradbury vorgeschlagene hypothetische Megastruktur im Weltraum, die auf der Dyson-Sphäre basiert und eine immense Rechenkapazität besitzt. Es ist ein Beispiel für ein stellares Triebwerk der Klasse B, das die gesamte Energie eines Sterns zum Antrieb von Computersystemen nutzt.

Das Konzept eines Matrjoschka-Gehirns geht auf die Idee zurück, Dyson-Sphären zum Antrieb eines riesigen, sterngroßen Computers zu verwenden. Der Begriff „Matrjoschka-Gehirn“ stammt von den Matrjoschka-Puppen, den russischen Schachtelpuppen aus Holz. Matrjoschka-Gehirne bestehen aus mehreren ineinander geschachtelten Dyson-Sphären, so wie auch Matrjoschka-Puppen aus mehreren ineinander geschachtelten Puppenteilen bestehen. Die innerste Dyson-Sphäre des Matrjoschka-Gehirns würde Energie direkt von dem Stern beziehen, den sie umgibt, und große Mengen an Abwärme abgeben, während sie bei hoher Temperatur rechnet. Die nächste umgebende Dyson-Sphäre würde diese Abwärme absorbieren und für ihre Berechnungszwecke nutzen, während sie selbst Abwärme abgibt. Diese Wärme würde von der nächsten Kugel absorbiert werden, und so weiter, wobei jede Kugel weniger Wärme abgibt als die vorherige. Aus diesem Grund wären Matrjoschka-Gehirne mit mehr verschachtelten Dyson-Kugeln tendenziell effizienter, da sie weniger Wärmeenergie verschwenden würden. Die inneren Schalen könnten bei fast der gleichen Temperatur wie der Stern selbst betrieben werden, während die äußeren nahe der Temperatur des interstellaren Raums liegen würden. Der technische Aufwand und die dafür benötigten Ressourcen wären enorm. Theoretisch könnten ganze Spezies Universen, Zivilisationen und Planeten simulieren.