Mózg matrioszka to hipotetyczny komputer o gigantycznych możliwościach obliczeniowych, zbudowany z wykorzystaniem sfery Dysona. Konsumowałby on całą energię emitowaną przez gwiazdę do wykonywania obliczeń. Składałby się z wielu koncentrycznych sfer Dysona, każdej zbudowanej z nanotechnologicznych komputerów, zasilanych przepływem energii od gwiazdy w przestrzeń kosmiczną. Każda sfera byłaby przystosowana do pracy w innej temperaturze, pochłaniając światło emitowane przez bardziej wewnętrzną sferę i emitując je po wykorzystaniu na zewnątrz, w postaci fotonów o niższej energii. Sfery w samym centrum pracowałyby w temperaturze bliskiej temperatury gwiazdy, natomiast najbardziej zewnętrzne w temperaturze bliskiej temperaturze promieniowania tła.
Nazwa pomysłu nawiązuje do lalek matrioszek. Konkretny mechanizm działania takiego komputera jest obecnie przedmiotem spekulacji, ale sam pomysł jest całkowicie zgodny z wszystkimi znanymi nam prawami fizyki. Jego konstrukcja wymagałaby prawdopodobnie rozmontowania wszystkich planet w układzie i wykorzystania ich materiału jako budulca.
Możliwości wykorzystania takiej mocy obliczeniowej są trudne do wyobrażenia. Wymyślonymi dotychczas zastosowaniami mógłby być uploading umysłów wszystkich ludzi i symulacja idealnego środowiska wirtualnego bądź tworzenie i symulowanie rozwoju całych eksperymentalnych cywilizacji.
Według futurologa i transhumanisty Raymonda Kurzweila, ludzkiej cywilizacji uda się zbudować dzięki technologicznej osobliwości komputer matrioszkę w 2100 roku, osiągając tym samym poziom 2 na skali zaawansowania cywilizacyjnego.