Milena Penkowa fokuserer især på uhelbredelige sygdomme af neurodegenerativ og/eller inflammatorisk oprindelse så som dissemineret sklerose, Alzheimers, epilepsi, meningitis, hjerne-malaria og hovedtraumer efter fx trafikulykker og vold. Hun forsker herunder i de molekylære mekanismer i sygdommenes udvikling og celledød i et forsøg på at bremse vævsskader og/eller stimulere biologiske reparationsfaktorer og stamceller fra hjerne og knoglemarven. Formålet er både funktionel restitution og forsøg på at udvikle nye medicinske behandlingsstrategier som afprøves i eksperimentelle sygdomsmodeller.