マトリョーシカ・ブレインとは、ダイソン球をベースにロバート・ブラッドベリが提案した、巨大な計算能力を持つ宇宙の仮想巨大構造物である。

マトリオシュカブレインのコンセプトは、巨大で星サイズのコンピュータにダイソン球を用いて動力を与えるという考えからきています。 マトリョーシカ脳」という言葉は、ロシアの木製の入れ子人形であるマトリョーシカ人形に由来している。 マトリョーシカ脳は、マトリョーシカ人形のように、複数のダイソン球が入れ子になって構成されている。 マトリョーシカ脳の最も内側のダイソン球は、周囲にある星から直接エネルギーを取り込み、高温で演算しながら大量の廃熱を放出することになる。 次のダイソン球は、この廃熱を吸収して演算に使い、同時に自分も廃熱を出す。 その熱を次の球が吸収し、また次の球が吸収し……といった具合に、球が発する熱を少なくしていく。 そのため、ダイソン球をより多く入れ子にしたマトリョーシカ脳の方が、熱エネルギーの浪費が少なく、効率が良いのである。 内側の球は星とほぼ同じ温度で、外側の球は恒星間空間の温度に近い温度で運転することができる。 理論的には、種族全体が宇宙、文明、および惑星をシミュレートすることができる。