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Le domaine de recherche de Gilles Allali est l’étude des relations entre les fonctions motrices et les capacités cognitives, plus particulièrement le contrôle de la marche, ainsi que l’étude du vieillissement pathologique.
Dans le cadre de collaborations internationales, Gilles Allali a identifié des marqueurs clinico-biologiques de vieillissement pathologiques qui ont conduit à améliorer l’identification des patients à risque de démence. Grâce au soutien notamment du FNS, ses travaux ont permis d’améliorer l’identification des démences réversibles, en particulier de l’hydrocéphalie à pression normale.
Dans le cadre de la pandémie de COVID-19, il s’est intéressé aux complications neurologiques du SARS-CoV-2, plus particulièrement aux atteintes cérébrovasculaires et à l'encéphalopathie liée au virus.