Un Cerebro de Matrioshka es una hipotética megaestructura en el espacio propuesta por Robert Bradbury, basada en la esfera de Dyson, de inmensa capacidad computacional. Es un ejemplo de motor estelar de clase B, que emplea toda la producción de energía de una estrella para impulsar sistemas informáticos.

El concepto de cerebro matrioshka proviene de la idea de utilizar las esferas Dyson para alimentar un enorme ordenador del tamaño de una estrella. El término «cerebro matrioshka» tiene su origen en las muñecas matrioshka, que son muñecas rusas de madera para anidar. Los cerebros matrioshka se componen de varias esferas Dyson anidadas unas dentro de otras, del mismo modo que las muñecas matrioshka se componen de múltiples componentes de muñecas anidadas. La esfera Dyson más interna del cerebro matrioshka extraería energía directamente de la estrella que rodea y emitiría grandes cantidades de calor residual mientras computa a una alta temperatura. La siguiente esfera de Dyson que la rodea absorbería este calor residual y lo utilizaría para sus propósitos computacionales, a la vez que emitiría su propio calor residual. Este calor sería absorbido por la siguiente esfera, y así sucesivamente, con cada esfera emitiendo menos calor que la anterior. Por esta razón, los cerebros matrioshka con más esferas Dyson anidadas tenderían a ser más eficientes, ya que desperdiciarían menos energía calorífica. Las esferas interiores podrían funcionar casi a la misma temperatura que la propia estrella, mientras que las exteriores se acercarían a la temperatura del espacio interestelar. Los requisitos de ingeniería y los recursos necesarios para ello serían enormes.Teóricamente, especies enteras podrían simular universos, civilizaciones y planetas.