Brunelli iniziò la sua carriera di ricercatore scientifico indagando i meccanismi nervosi e ormonali che controllano l'emissione dei segnali luminosi di "Luciola lusitanica" e dimostrandone l'andamento circadiano. I risultati di questi esperimenti furono pubblicati in una serie di articoli sull'Archives Italiennes de Biologie dal 1968 al 1973. Altri studi di Brunelli riguardarono l'influenza del tronco encefalico sui comportamenti di sonno-veglia nel piccione comune, che videro anche il coinvolgimento di Moruzzi. Nello stesso periodo partecipò a ricerche sul sistema nervoso della sanguisuga "Hirudo medicinalis", che userà a lungo come modello di studio, e la percezione visiva, sempre nel piccione.