I principali interessi di ricerca della dottoressa Martinelli sono le malattie dei motoneuroni, tra cui la SLA e l’atrofia muscolare bulbare spinale (SBMA). Ha partecipato attivamente a diversi progetti clinici in collaborazione, concentrandosi sul follow-up clinico dei pazienti con SLA e SBMA insieme alla valutazione delle misure di esito e la validazione di possibili biomarcatori specifici in grado di migliorare la valutazione clinica e la prognosi. Ha preso parte a studi genetici e di biomarcatori nella SLA, e ha partecipato a diversi studi clinici in pazienti con SLA, SBMA e altri disturbi neuromuscolari.